Как улучшить мозг, выпуск 15. Что происходит, если заставить мозг работать активнее?

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.

Есть стимул – есть ответ

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.

О чём говорит физиология?

  • 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 (Heeger and Ress, 2002). 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?. Frontiers in neuroscience, 10.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *