В течение последнего десятилетия появилось несколько исследований, демонстрирующих, что люди способны научиться регулировать собственную нейронную активность, глядя на собственную фМРТ. К тому же такая саморегуляция в некоторых кортикальных и субкортикальных областях мозга ведёт к значительным когнитивным, эмоциональным и моторным изменениям. Подобная фМРТ-практика может стать новым подходом когнитивных нейронаук, направленных на изучение причинно-следственных связей между активностью нейронов и поведением. Когда учёные разберутся, как она работает.
Илл: Radiological Society of North America
Речь идёт о гемодинамической реакции в виде ответа изменением уровня кислорода в крови (BOLD; Blood Oxygenation Level Dependent response), который можно усиливать или ослаблять, смотря на данные фМРТ в режиме реального времени. Все ещё непонятно, можно ли считать приобретённый в ходе обучения через фМРТ контроль над уровнем оксигенации первичным или вторичным эффектом – эпифеноменом. Статья, которую мы сегодня рассмотрим, как раз рассказывает о специфических психологических и нейропсихологических механизмах, которые могут стоять за подобным обучением.
Прямое манипулирование активностью мозга связано с общими принципами так называемого оперантного научения, то есть коррекции проведения в ответ на меняющиеся стимулы окружающей среды. В этом случае поведение – это активность регионов мозга, выраженная через с помощью BOLD, а стимулом окружающей среды выступает обратная связь от фМРТ, которую может видеть испытуемый.
Нейронная активность хорошо поддаётся принципам классического и оперантного научения (Kandel and Schwartz, 1982). Исследования этого феномена начались ещё в шестидесятые. Недавно с помощью нейрокомпьютерных интерфейсов (НКИ) показали, что даже возможен контроль над отдельными клетками коры головного мозга – в частности, над нейронами моторных зон, причём, как у людей, так и у животных (Serruya et al., 2002; Taylor et al., 2002; Carmena et al., 2003; Moritz et al., 2008).
С другой стороны, непонимание механизма такого контроля усложняет разработку и анализ качества методик фМРТ в режиме реального времени, предполагающих наличие обратной связи. Часть статей подчёркивает важность мысленного образа для обучения регуляции BOLD, тогда как другие говорят о том, что обязательно нужна обратная связь. Имеет значение и то, осознавали ли участники экспериментов, насколько важен для них исход и будет ли в случае успеха какое-либо материальное вознаграждение.
Не зная того, что отвечает за подобный ответ, учёные не могут однозначно интерпретировать поведенческие изменения, связанные с метаболическим сигналом. Выявлены по крайней мере три механизма, регулирующих ток крови в сосудах головного мозга. Первый – церебральная авторегуляция (cerebral autoregulation), то есть способность нейроваскулярной системы поддерживать постоянство тока через адаптацию церебрального давления. Второй – нейрогенная регуляция (neurogenic regulation), которая модулирует мозговое кровообращение за счёт разветвлённой структуры околососудистых нервов. Третий – функциональная гиперемия, то есть увеличение тока крови к ткани, когда она активна (Peterson et al., 2011).
Астроциты и эндотелиальные клетки выполняют центральную роль во всех трёх механизмах (Iadecola and Nedergaard, 2007). Первые представляют собой фактор регуляции тока крови, а вторые – за счёт своей анатомической позиции, которая физически связывает нейроваскулярную систему с синапсами.
По-настоящему интригующий вопрос, затрагивающий фМРТ – это гипотеза о том, что регуляция активности нервной системы прямо зависит от изменений в метаболических сигналах, таких, как BOLD (Moore and Cao, 2008). В частности, показано, что нейроваскулярная система может прямо участвовать в обработке информации. Из этого следует, что гемодинамические процессы не только обеспечивают метаболический спрос активных нервных тканей, но и формируют некоторые процессы.
Так, саморегуляция метаболических процессов может вести к тому, что меняется активность некоторых групп нейронов. В это вписывается и эффект транскраниальной стимуляции постоянным током (tDCS), которую предлагали для того, чтобы улучшить функции мозга за счёт усиления метаболизма (Dutta, 2015; Pulgar, 2015).
Несмотря на растущее число гипотез относительно BOLD реакций механика процесса всё равно остаётся под сомнением. С помощью фМРТ показано, что они коррелируют с потенциалом локального поля (local field potential, Logothetis et al., 2001; Viswanathan and Freeman, 2007), с динамикой потенциалов действия (Heeger and Ress, 2002) и одновременно с двумя этими показателями. Кроме того, BOLD может отражать различные процессы нервной деятельности: нейромодуляцию, возбуждающую и подавляющую активность клеток, нисходящую и восходящую регуляцию (Viswanathan and Freeman, 2007; Logothetis, 2008; Lee et al., 2010).
В целом, результаты исследований показывают, что способность к усилению метаболического сигнала связана с возбуждения нервной системы. Однако, на основе результатов после перцептивных заданиях установлено, что чувствительность, увеличенная за счёт тренировок с фМРТ в реальном времени, ассоциирована скорее с комбинацией усиления активности одних зон и подавления активности других (Shibata et al., 2011).
Альтернативные методы, такие, как одновременное использование ЭЭГ и фМРТ в режиме реального времени, могут способствовать дальнейшему изучению причинно-следственных связей. Однако, исходя из предложенных возможных нейроваскулярных механизмов, можно предположить, что саморегуляция уровня оксигенации крови – не эпифеномен, а прямое последствие.
Текст: Мария Азанова
Caria, A. (2016). Self-regulation of blood oxygenation level dependent response: Primary effect or epiphenomenon?. Front. Neurosci., 24 March 2016 | https://doi.org/10.3389/fnins.2016.00117
Выпуск 14: стимуляция при эпилепсии
Выпуск 13: как электричество может снять боль?
Выпуск 12: что может медитация?
Выпуск 11: от человеческого мозга до мозга глобального
Выпуск 10: этические проблемы интерфейсов «мозг-мозг»
Выпуск 9: просоциальное поведение на фМРТ.
Выпуск 8: руки помощи.
Выпуск 7: почему IQ-тесты не всегда корректно работают?
Выпуск 6: что есть сознание и есть ли оно у интернета?
Выпуск 5: база данных ЭЭГ.
Выпуск 4: интерфейс «мозг-компьютер», прогресс за рамками определений.
Выпуск 3: магнитная стимуляция и поведенческая терапия.
Выпуск 2: как объяснить сознание.
Выпуск 1: нейропротезы замкнутого цикла.
Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте, Яндекс-Дзен, Одноклассниках и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.
