Технологии развиваются так стремительно, а интерфейсы электронных устройств становятся настолько user-friendly, что все чаще и чаще мы пользуемся приборами, не до конца понимая суть их функционирования и происхождение сигналов, которые они подают, например, при неисправности. Когда автолюбитель видит загорающийся сигнал «проверьте двигатель», он понимает, что случилось что-то важное и нужно обратиться в автосервис; но что именно произошло в машине и почему механизм сгенерировал этот сигнал, он не знает. Аналогичным образом неврологи вполне доверяют ныне модной технологии функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ). Они знают, какую картину показывает этот метод при исследовании человека с определенными особенностями реакций мозга, однако происхождение этой картины до конца не ясно.
Большой интерес к МРТ-исследованиям вполне обоснован: это неинвазивная технология, открывающая дверь в мир физиологии человеческих реакций и эмоций. Однако без удовлетворительного объяснения механизма генерации некоторых сигналов МРТ выводы, которые исследователи делают на основе этих данных, не могут считаться достаточно обоснованными. Эту фундаментальную задачу удалось решить ученым из Стэндфордского университета, работу которых публикует Nature.
Им удалось показать, что базовая гипотеза, которую неврологи использовали в своей работе для интерпретации ФМРТ-данных, верна:
сигналы, основанные на повышении уровня обогащенной кислородом крови в определенных участках мозга, связаны с ростом возбуждения клеток мозга определенного типа.
Таким образом, теперь ясны теоретические основы обычного эксперимента по узнаванию лиц. Врач демонстрирует пациенту, мозг которого наблюдается с помощью ФМРТ, фотографии разных людей. Когда пациент видит знакомое лицо, возникает более сильный сигнал в области клеток, ответственных за распознавание лиц. Но чем обоснована эта возрастающая активность?
«Проблемной» являлась технология, использующаяся для записи этого сигнала, — метод blood oxygenation level-dependent (BOLD). На данный момент в мире опубликовано более 250 тыс. статей, использующих данные BOLD, поэтому изучение физических основ этого метода весьма и весьма важно.
«Мы всегда априори предполагали, что положительный сигнал ФМРТ BOLD связан с ростом активности возбуждающих нейронов, однако точно это установлено не было.
В связи с этим в последние годы велись активные дискуссии об обоснованности таких данных и вообще самого метода», — отметил Карл Дейсерот, профессор биоинженерии и психиатрии и старший автор работы.
Для экспериментального подтверждения этой гипотезы ученые провели модельный эксперимент — «запуск» генетически модифицированных возбуждающих нейронов в популяции крыс синим лазером. Генетическая модификация позволила сделать нейроны «светочувствительными» и отслеживать их активность сообразно освещению с долями до миллисекунды с помощью ФМРТ. Выяснилось, что возбуждение нейронов синим светом дает такую же картину, какую исследователи видят в обычных ФМРТ BOLD экспериментах. Совпадают и форма кривых, и временные интервалы откликов. В контрольной группе крыс, не прошедших генетическую модификацию, таких сигналов не возникало. Так ученым удалось восстановить, что возбуждение нейронов действительно является причиной возникновения сигнала ФМРТ BOLD.
Таким образом, генная инженерия позволяет «вмешиваться» в деятельность мозга и контролировать работу отдельных типов клеток. Авторы работы считают, что такой подход является более эффективным, чем обычные наблюдения и анализ данных.
