Святослав Медведев - Наталья Бехтерева – какой мы ее знали
Именно поэтому, из-за ограниченности методики ЭЭГ, в семидесятых – восьмидесятых годах Наталья Петровна основное внимание уделяла импульсной активности нейронов. Вспоминаю беседу с ней на конгрессе Международной Организации по Психофизиологии в Праге в 1986 году. Тогда в нашей группе (В. А. Пономарев, А. В. Севостьянов, М. А. Кузнецов и автор этой статьи) наряду с импульсной активностью нейронов и сверхмедленной активностью мозга мы решили регистрировать электросубкортикограмму, то есть потенциалы мозга в диапазоне ЭЭГ (0.1–70 Гц). Когда я сообщил об этом Наталье Петровне, она сказала мне, что я могу заниматься всем, чем хочу, но сама она не верит в то, что этот параметр может дать больше, чем импульсная активность нейронов.
Вскоре после этого разговора мы стали регистрировать локальные вызванные потенциалы мозга и довольно быстро убедились, что внутримозговые потенциалы мозга отражают отдельный мир, совершенно отличный от того, который отображается в потенциалах, регистрируемых с поверхности головы. Важно подчеркнуть, что по своей способности описывать локальные явления мозга внутримозговая электроэнцефалограмма приближалась к детальному описанию, даваемому с помощью методики регистрации импульсной активности нейронов.
Это открытие мгновенно оценил известный финский психолог Ристо Наатанен, с которым в девяностые годы мы начали серию исследований интересного феномена мозга – негативности рассогласования. Этот феномен он впервые открыл в 1978 году, когда сравнил когнитивные вызванные потенциалы в так называемом ODDBALL тесте. В этом тесте испытуемый слышал равномерную последовательность звуковых тонов (типа метронома), которая иногда прерывалась предъявлением тона, несколько отличного от стандартного. Сравнивая ответы мозга на стандартные и девиантные (отличающиеся) тоны, он обнаружил, что девиантные тоны генерируют добавочную волну, которую он назвал негативностью рассогласования (mismatch negativity).
Надо сказать, судьба этого открытия оказалась более удачной, чем открытий, сделанных Натальей Петровной. На протяжении последних десятилетий были опубликованы тысячи статей, посвященных негативности рассогласования, это явление сейчас используется в клинике для предсказания выхода из комы больных, а также для ранней диагностики глухоты. Сам Ристо Наатанен осознавал эту несправедливость и всегда с большим уважением относился к Наталье Петровне, называя ее самым выдающимся физиологом нашего столетия. Именно с его представления Наталья Петровна была избрана почетным членом Академии наук Финляндии.
Используя внутримозговые электроды в совместных исследованиях с финскими коллегами, нам удалось не только локализовать источник генерации негативности рассогласования, но и вскрыть механизмы этого явления. Тогда мы использовали цифровую ЭЭГ и компьютерный метод усреднения. Это был шаг вперед по сравнению с шестидесятыми годами, когда когнитивные вызванные потенциалы получались простым наложением (суперпозицией) записей ЭЭГ друг на друга.
Напомню, что психологи и нейрофизиологи уже в семидесятых – восьмидесятых годах стали выделять последовательные стадии переработки информации. Так, в экспериментах на кошках и обезьянах были выделены стадия активации вентрального зрительного пути, отвечающая на вопрос «Что?» (то есть – что значит то или иное зрительное изображение), и стадия активации дорзального зрительного пути, отвечающая на вопросы «Где?» и «Как?» (то есть – где в пространстве находится данное зрительное изображение и как можно этим предметом манипулировать).
Но как разложить когнитивные вызванные потенциалы, регистрируемые с поверхности головы, на компоненты, отражающие эти различные стадии переработки информации, было неясно. В восьмидесятых годах мы попытались использовать факторный анализ и метод главных компонент. Однако ограничения, накладываемые этими методами, были нефизиологичными, поскольку вряд ли можно было предположить, что искомые волны будут ортогональны, как этого требовал, например, метод главных компонент.
И только в конце девяностых годов появились физиологически ориентированные методы обработки данных, совершившие революцию в электрофизиологии мозга. Сейчас мы являемся свидетелями ренессанса в электрофизиологии мозга. Существует, по меньшей мере, четыре причины этого возрождения электроэнцефалографии.
Первая причина связана с недавним появлением новых методов анализа ЭЭГ, таких как техника пространственной фильтрации при коррекции артефактов, анализ независимых компонент когнитивных ВП, электромагнитная томография и некоторые другие методы.
Вторая причина заключается в относительной дешевизне современных электроэнцефалографов. Действительно, в наши дни приборы для регистрации ЭЭГ стоят от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч долларов США, что совсем недорого по сравнению с многомиллионной стоимостью оборудования для МРТ и ПЭТ.
Третья причина – значительный рост наших познаний о механизмах генерации волн спонтанной ЭЭГ и функционального значения компонентов когнитивных вызванных потенциалов.
И наконец, четвертая причина – высокое временное разрешение сигналов ЭЭГ и когнитивных вызванных потенциалов мозга. Такое высокое временное разрешение принципиально не может быть достигнуто другими техниками нейрокартирования. Действительно, методы ЭЭГ и когнитивных вызванных потенциалов обеспечивают временное разрешение сигналов в несколько миллисекунд, в то время как методы позитронно-эмиссионной томографии и магниторезонансной томографии дают временное разрешение, не превышающее 6 секунд.
Иначе говоря, мы вступили на новый виток спирали развития науки о мозге. Говоря о феномене детекции ошибок, на этом витке мы смогли получить данные, позволившие объединить в единую, стройную систему результаты, получаемые в исследованиях Натальи Петровны о детерминаторах ошибок в подкорковых структурах мозга, и результаты, полученные в исследованиях магниторезонансной томографии о детекторах ошибок. К сожалению, эти данные были опубликованы уже после смерти Натальи Петровны.
Ниже я коротко опишу эти данные, поскольку я уверен, что сама Наталья Петровна захотела бы этого. Надо отметить, что среди многочисленных тестов, используемых в нашей лаборатории для изучения мозга, есть так называемый математический тест. В этом тесте испытуемые должны совершать различные математические операции над регулярно предъявляемыми цифрами. Поскольку этот сложный тест требует предельной концентрации внимания, испытуемые довольно часто совершают в нем ошибки. Сравнивая вызванные потенциалы мозга при правильных и ошибочных выполнениях теста, мы подтвердили данные, полученные в других лабораториях. Действительно, совершение ошибки сопровождалось генерацией негативной волны, называемой негативностью, связанной с ошибкой, или просто негативностью ошибки. За этой волной следовала позитивная волна. Негативность ошибки наблюдалась после неправильного выполнения функциональной пробы спустя всего лишь 100 мс после нажатия кнопки (необходимого для определения правильности выполнения теста) и характеризовалась лобно-центральной топографией. Эти данные полностью соответствуют данным, полученным многочисленными зарубежными исследователями.
Однако, обладая современными методами обработки данных и уникальной возможностью работы с огромным числом (около тысячи) испытуемых, мы пошли дальше. Мы применили метод независимых компонент к этой огромной совокупности данных. Нам впервые удалось разложить волну ошибки на три независимых компонента.
Механизм детекции и детерминации ошибок
А – исследования конца 1960-х годов. Суперпозиция вызванных изменений напряжения кислорода в тесте на оперативную память. Регистрация с помощью вживленных электродов. Справа – типичный «детектор» ошибки в хвостатом ядре мозга (из книги: Бехтерева Н. П. Нейрофизиологические аспекты мыслительной деятельности. Л.: Наука, 1971);
Б – исследования начала XXI века. Независимые компоненты когнитивных вызванных потенциалов мозга при тесте на математические операции. Регистрация с помощью накожных электродов. Слева – топография компонента, справа – электромагнитная томография низкого разрешения, в центре – временная динамика компонента при правильном и ошибочном выполнении теста (из книги: Kropotov J. D. Quantitative EEG, event related potentials and neurotherapy – Academic Press, Elsevier: 2009).Как видно из рисунка, негативность ошибки в действительности состоит из трех независимых компонентов, один из которых генерируется в дорсальной (когнитивной) части передней поясной извилины, а другой генерируется нейронами в задней части поясной извилины. Третий компонент генерируется в премоторной области коры за несколько сотен миллисекунд до совершения ошибки. Он локализован в части коры, которая является корковым выходом базальных ганглиев. Как видим, круг замкнулся: детерминаторы ошибок, обнаруженные Натальей Петровной в базальных ганглиях, отражаются в компонентах вызванных потенциалов, генерируемых в премоторной коре, в то время как детекторы ошибок, свидетельствующие о совершенной ошибке и вносящие вклад в негативность ошибки, локализованы в поясной извилине.
Мы не будем здесь подробно останавливаться на теории, которая может быть основана на этих данных. Для нас важно то, что феномен детекции ошибок, впервые открытый Натальей Петровной, показал существование в мозгу специальной системы, в которой ожидаемые действия сравниваются с реальными действиями и в которой полученный сигнал рассогласования используется для последующей коррекции поведения.
