Язык и мозг. Нейробиология раскрывает главную тайну человека - Инна Воробей

Островок – пятая доля мозга, которую не видно снаружи, предположительно отвечает за эмоциональные аспекты речи. Он регулирует системы дыхания, артикуляции и фонации, таким образом, влияет на ритм и интонацию.

Глава 3. Как учёные ищут язык в мозге

Post mortem, или посмертное вскрытие – это единственный способ исследовать мозг человека, который был доступен учёным до XX века. Если к врачу обращался пациент с ярко выраженными проблемами, он за ним наблюдал, тщательно описывал отклонения, а после смерти на вскрытии находил повреждённые участки мозга. Именно так Брока и Вернике нашли речевые центры.

Учёные могли найти, где в мозге что-то происходит, но как – это оставалось тайной за семью печатями. XX век, особенно его вторая половина, предоставил исследователям мозга новые возможности. Появились новые сложные приборы, которые помогают заглянуть в живой мозг. Однако с языком возникли неожиданные проблемы. Проводить многие эксперименты на людях запрещено из этических соображений. А животные не говорят, поэтому эксперименты не помогут понять язык. Поэтому набор методов нейроучёных достаточно ограничен.

Работа хитроумных приборов, заглядывающих в мозг, основана на главных особенностях мозга – электрической активности нейронов и потреблении ими энергии.

Нейроны обмениваются друг с другом информацией, зашифрованной в электрических импульсах. Сигналы отдельных нейронов слишком слабы, чтобы их можно было уловить прибором и измерить. Но во время исполнения определённой задачи загораются целые нейронные ансамбли. А вот их электрический сигнал имеет достаточную силу, чтобы его поймать. Ансамбли загораются и потухают с фантастической скоростью – за доли тысячные доли секунды.

Учёные разработали два аппарата, улавливающих электрическую активность мозга. Это электроэнцефалограф и магнитоэнцефалограф. Работы по регистрации токов мозга учёные начали ещё в конце XIX века. Первую энцефалограмму собаки записали в 1913 году, а ЭЭГ человека – в 1924. Активно использовать этот метод учёные стали спустя 10 лет.

Электроэнцефалограф измеряет электрическое поле. Для этого на голове закрепляется множество электродов, которые кабелями соединены с усилителем сигнала. Расстояние от электрода до поверхности мозга – 2 сантиметра. Результат энцефалограммы – это зигзаги или волны, изображающие процессы в мозге. В зависимости от разных состояний – бодрствует человек или спит, болен, что он делает – мозг производит волны разной частоты. Известны альфа-, бета-, гамма-, дельта- и тета-волны.

Их преимущество и в том, что они улавливают процессы, происходящие в доли секунды. Их слабость – точное место этих процессов. Они определяют только примерный регион.

Магнитоэнцефалография измеряет магнитное поле, которое образуется во время активности нейронов. Высокочувствительные катушки улавливают его малейшие изменения над головой человека. При таком исследовании человек сидит в кресле, над его головой висит труба – как суперфен в салоне красоты. В ней установлено от 100 до 300 катушек, но с головой человека они не соприкасаются.

Оба метода улавливают процессы, происходящие в доли секунды, и безопасны для пациентов. МЭГ даже используют для обследования ещё не рождённых детей. Кроме того, МЭГ более удобен для пациентов, так как им не нужно надевать специальную шапочку или закреплять электроды. Аппарат для МЭГ более чувствительный и более дорогой, чем электроэнцефалограф. Но для него необходим отдельный кабинет, в который не проникают электромагнитные волны извне. Слабость ЭЭГ и МЭГ – точное место происходящих в мозге процессов.

В мозге одновременно происходит много процессов. Как же распознать волну, связанную с языком? Для этого исследователи дают людям задания и при этом измеряют активность его нейронов. Этот метод получил название метод вызванных потенциалов. Разные потенциалы выглядят на графике по-разному. Они отличаются по скорости, по их местонахождению на графике, по месту возникновения в мозге. На языковые задания мозг реагирует пятью разными всплесками – N100, ELAN, LAN, N400, P600. Подробнее о них – в следующей главе.

Вызванные потенциалы помогают понять, как и когда мозг реагирует на грамматические ошибки, неподходящие слова, неправильный порядок слов. Их используют, чтобы узнать, как дети и взрослые обрабатывают речь, одинаково ли мозг справляется с родным и иностранным языками.

Мозг – самый дорогой орган тела человека. Он съедает 20 % всего кислорода, который поступает в организм. Кислород нужен мозгу, чтобы сжигать топливо для своей работы. Это топливо – глюкоза. Из окисления глюкозы образуется нужная для работы нейронов энергия.

Та зона мозга, которая больше всего работает, забирает больше всего глюкозы и кислорода, которые туда приносит кровь. Поэтому, измерив кровоток, учёные могут узнать, какая же зона мозга сейчас трудится.

Одним из первых таких приборов был позитронно-эмиссионный томограф (ПЭТ). Чтобы узнать, где в мозге самый большой расход глюкозы, когда человек выполняет задание, ему делают инъекцию с глюкозой, помеченной радиоактивным атомом. Мозг направляет её в активное место. Радиоактивный атом распадается на нейтроны и позитроны. Позитроны сталкиваются с электронами окружающих тканей. При этом выделяется энергия, которую улавливает томограф, и он формирует картинку. Учёные сравнивают картинку, которую они сделали до задания и во время. Так они узнают, какая часть мозга напряжённо трудилась.

Использование радиоактивных атомов небезопасно для человека. Поэтому сегодня этот метод применяют только в медицинских целях. К тому же появился другой аппарат – безопасный и с более качественным изображением. Это магнитно-резонансная томография (МРТ). На сегодняшний день она считается самым точным и безопасным методом, который используют как для медицинских, так и для исследовательских целей. Ткани тела состоят по большей части из воды, в каждой молекуле которой два атома водорода. Ядра атомов вращаются вокруг своей оси и производят своё магнитное поле. Оси вращения атомов водорода направлены в разные стороны. Огромный магнит выстраивает их параллельно. Затем МРТ-сканер посылает короткими импульсами радиоволны, и прекрасный порядок среди атомов водорода нарушен. Ядра качаются, пытаются вернуться в параллельный строй и излучают при этом радиоволны. Катушки аппарата МРТ улавливают эти волны, а компьютер на их основе составляет картинку. Чем больше атомов водорода собираются в одном месте, тем больше радиоволн они излучают. МРТ показывает, что и где находится: структуры мозга, их размер, толщину белого и серого вещества.

В клиниках обычно используют МРТ-аппараты с мощностью магнитного поля 3 Тесла – в 60 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Для исследований используют более мощные аппараты 7 и 9,5 Тесла.

На определении движения молекул воды в мозге основана работа диффузионной спектральной томографии. Это своего рода МРТ для белого вещества – нервных волокон. Она позволяет проследить, куда направлены их пучки, создать трёхмерные модели мозга.