Широко используемым методом измерения активности мозга у людей является томография головного мозга.
Она позволяет исследователям создавать изображения, показывающие, какие области мозга активируются, когда люди в бодрствующем состоянии выполняют различные когнитивные задачи.
Один из этих методов, позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), был представлен в 1970-х годах (Hoffman et al., 1976; Ter-Pogossian et al., 1975). ПЭТ использует тот факт, что кровоток увеличивается в областях мозга, которые активируются когнитивной задачей. Чтобы измерить кровоток, в него вводят небольшую дозу радиоактивного индикатора (доза достаточно мала и не причиняет вред человеку). Затем головной мозг сканируется аппаратом ПЭТ, измеряющим сигнал, идущий от индикатора, в разных местах головного мозга. Более высокие сигналы указывают на более высокий уровень активности мозга (рисунок 2.8).
Рис. 2.8 (a) – человек в сканере головного мозга. (б) – на этом поперечном срезе мозга активированные области мозга обозначены цветами. Увеличение активации обозначается красным и желтым цветом, уменьшение – синим и зеленым.
ПЭТ позволил исследователям отслеживать изменения кровотока и, таким образом, определять, какие области мозга были активированы. Чтобы использовать этот инструмент, исследователи разработали метод вычитания. Активность мозга сначала измеряется в «контрольном состоянии», до предъявления стимуляции, а затем еще раз во время предъявления стимула. Например, в исследовании, призванном определить, какие области мозга активируются, когда человек манипулирует объектом, в первую очередь измеряется активность, возникающая при простом помещении объекта в руку. Это состояние управления (рис. 2.9a).
Затем измеряется активность, когда человек манипулирует объектом. Это состояние стимуляции (рис. 2.9b). Наконец, активность, обусловленная манипуляциями, определяется путем вычитания контрольной активности из стимулирующей активности (рис. 2.9c).
Рис. 2.9. Метод вычитания, используемый для интерпретации результатов экспериментов по томографии мозга. (а) – цветная область указывает на активацию, когда человек держит небольшой предмет. (б) – цветные области указывают на активацию, когда человек начинает манипулировать объектом. (c) – вычитание активации в (a) из активации в (b) указывает активацию из-за манипулирования объектом.
После внедрения ПЭТ был представлен другой метод нейротомографии, называемый функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Как и ПЭТ, фМРТ основана на измерении кровотока. Преимущество фМРТ в том, что кровоток можно измерить без радиоактивных индикаторов. фМРТ использует тот факт, что гемоглобин, переносящий кислород в крови, содержит молекулу двухвалентного железа (железа) и, следовательно, обладает магнитными свойствами. Если к мозгу приложить магнитное поле, молекулы гемоглобина выстраиваются в линию, как крошечные магниты.
фМРТ указывает на наличие активности мозга, потому что молекулы гемоглобина в областях с высокой мозговой активностью теряют часть переносимого ими кислорода. Это делает гемоглобин более магнитным, поэтому эти молекулы сильнее реагируют на магнитное поле. Аппарат фМРТ определяет относительную активность различных областей мозга, обнаруживая изменения в магнитном отклике гемоглобина. Техника вычитания, описанная выше для ПЭТ, также используется для фМРТ.
Поскольку фМРТ не требует радиоактивных индикаторов и является более точной, этот метод стал основным методом определения того, какие области мозга активируются различными когнитивными функциями.
На рис. 2.10 показано – по данным фМРТ – расположение области головного мозга, реагирующая на лица. Она соответствует области, обычно повреждаемой у пациентов с прозопагнозией (Kanwisher et al., 1997), и называется веретенообразной областью распознаваания лиц (FFA – fusiform face area), потому что находится в веретенообразной извилине, также известной как латеральная затылочно-височная извилина [1].
Рис. 2.10. (a) – вид головного мозга сбоку. Веретенообразная область распознавания лиц (FFA) не видна на этом изображении, потому что она расположена на нижней поверхности головного мозга. (b) – нижняя поверхность головного мозга, показывающая расположение FFA в нижней височной коре (слой IT), в веретенообразной извилине (зона Бродмана 37).
В дополнение к FFA, в височной коре были идентифицированы две другие специализированные области.
1. Парагиппокампальная область распознавания помещений (PPA – parahippocampal place area), находящаяся на парагиппокампальной извилине [2], активируется изображениями, представляющими внутренних и внешних видов помещений (строений), подобные тем, которые показаны на рисунке 2.11a (Aguirre et al., 1998; R. Epstein et al., 1999). Очевидно, что для этой области важна информация о пространственном макете, потому что повышенная активация происходит при просмотре изображений, как пустых, так и полностью меблированных комнат (Kanwisher, 2003).
2. Экстрастриатная область распознавания тел (EBA – extrastriate body area), находящаяся на экстрастриарной зрительная коре [3], активируется изображениями тел и частей тел, но не лицами – рис. 2.11b (Downing et al., 2001).
Рис. 2.11. (a) – парагиппокампальная область распознавания помещений активируется строениями и помещениями, изображенными в верхнем ряду, но не другими стимулами (нижний ряд). (b) – экстрастриальная область распознавания тел активируется телами (верхний ряд), но не другими стимулами (нижний ряд).
Как мы увидим далее, метод томографии головного мозга выявил и многие другие связи между когнитивными функциями и конкретными областями мозга. Для обозначения локализации функций часто используется новый термин – модульность.
Модуль – это область, специализированная для определенной функции. Используя эту терминологию, мы могли бы сказать, что веретенообразная область распознавания лиц, экстрастриарная область распознавания тел и парагиппокампальная область парагиппокампальная область распознавания помещений являются модулями для восприятия лиц, тел и помещений соответственно.
Сноски
1. Извилина затылочно-височная латеральная (gyrus occipitotemporalis lateralis, PNA, JNA; gyrus fusiformis, BNA; синонимы: веретенообразная долька, веретенообразная извилина) – продольная извилина на нижней поверхности височной доли, ограниченная затылочно-височной и коллатеральной бороздами. (БМС)
2. Парагиппокампальная извилина (gyrus parahippocampalis, PNA; gyrus hippocampi, BNA, JNA; синонимы: извилина гиппокампа, извилина морского конька) – продольная извилина в нижней части медиальной поверхности полушария, ограниченная коллатеральной бороздой и бороздой гиппокампа; кзади переходит в медиальную затылочно-височную извилину. (БМС)
3. Экстрастриарная зрительная кора находится в районе затылочной коры головного мозга и расположена недалеко от стриарной области коры, известной также под названием первичная зрительная кора.