Мозг сигналит перед отключкой

Предсказать «тупую» ошибку можно за полминуты до её совершения

Авиадиспетчера, который вот-вот направит самолёт в чужой эшелон, теперь можно уберечь от роковой ошибки. При рутинной работе мозг начинает за полминуты готовиться к «отключению». Чтобы применить новый метод, рабочее место каждого диспетчера придётся оборудовать МРТ-сканером.

Загадки человеческого разума не дают покоя ученым. Последние не остаются в долгу и не дают покоя аппаратам магнитнорезонансной томографии (МРТ-сканерам), которыми обзавелись все уважающие себя исследовательские институты, занимающиеся проблемами мозга. Очередной «разрешенной загадкой» стали ошибки, совершаемые при выполнении рутинных действий.

Механизация и роботизация труда уже давно не требует от сотрудников накручивания колпачков на тюбики с зубной пастой, однако осталось немало областей, в том числе в высокотехнологичных производствах и сфере услуг, где действия не многим более разнообразны. А стоимость каждой ошибки очень высока.

Ученые научились «предсказывать» эти ошибки за 6 секунд, а иногда и за полминуты до их совершения. Правда, точные нейрофизиологические причины опять остались за пределами исследования.

Работа специалистов из Норвегии, Германии и США под руководством Тома Эйшеле из Университета Бергена вышла в Proceedings of the National Academy of Science всего через неделю после публикации немецких специалистов, научившихся предсказывать «свободный волевой» выбор. И, хотя задействованы оказались разные участки мозга, схема эксперимента мало чем отличается от всех подобных исследований, посвященных поиску «области мозга, отвечающей за …».

«Фланговый» тест

тест на внимание в присутствии отвлекающей информации. Испытуемому демонстрируют пять символов. Центральный – всегда стрелка, указывающая направо или налево. Куда она указывает, такую клавишу и надо нажимать на клавиатуре.

Фланговые символы могут также быть стрелками, указывающими в любую сторону. И как показывают результаты опыта, их не всегда удается игнорировать.

Это тест на время реакции, поэтому «отвечать» нажатием клавиши нужно максимально быстро, избегая ошибок. В классическом варианте записывается общее время теста и число ошибок. Если же посмотреть отдельное время реакции на каждую картинку, то оно, как правило выше в случае, если фланговые стрелки указывают в другую сторону, нежели центральная.

Ученые дали 13 добровольцам-правшам ускоренный фланговый тест, когда демонстрируют нескольких стрелок и испытуемый должен нажать клавишу, соответствующую направлению центральной. При этом «фланговые» стрелки и рисунки сбивают мысль, вынуждая совершать ошибки, — классический пример рутинной работы.

Магнитно-резонансная томография

ЯМР – общепризнанное сокращение словосочетания «ядерный магнитный резонанс». ЯМР – томография (или МРТ) – это относительно новый вид получения изображения внутренних органов, который начал входить в медицинскую практику в 80-х годах прошлого столетия.

Явление ЯМР было открыто Е.К.Завойским в 1944 году в форме парамагнитного резонанса и независимо открытого Блохом и Парселлом в 1946 году в виде резонансного явления магнитных моментов атомных ядер.

Несмотря на схожий с рентгеновской компьютерной томографией метод компьютерной обработки (называемый томографическим принципом), МРТ существенно отличается.

Первое преимущество – замена рентгеновских лучей радиоволнами. Это позволяет устранить ограничения на контингент обследуемых (детей, беременных), т.к. снимается понятие лучевой нагрузки на пациента и врача. Кроме того, отпадает необходимость в проведении специальных мероприятий по защите персонала и окружающей среды от рентгеновского излучения.

Второе преимущество – чувствительность метода к отдельным жизненно важным изотопам и особенно к водороду, одному из самых распространенных элементов мягких тканей. При этом контрастность изображения на томограмме обеспечивается за счет разности в концентрациях водорода в различных участках органов и тканей. При этом исследованию не мешает фон от костных тканей, ведь концентрация водорода в них даже ниже, чем в окружающих тканях.

Третье преимущество заключается в чувствительности к различным химическим связям у различным молекул, что повышает контрастность картинки.

Четвертое преимущество кроется в изображении сосудистого русла без дополнительного контрастирования и даже с определением параметров кровотока.
Пятое преимущество заключается в большей на сегодня разрешающей способности исследования – можно увидеть объекты размером в доли миллиметра.

И, наконец, шестое – МРТ позволяет легко получать не только изображения поперечных срезов, но и продольных.

Механизм достаточно прост. Ядерным магнитным резонансом называется избирательное поглощение электромагнитных волн веществом (в данном случае телом человека), находящимся в магнитном поле, что возможно благодаря наличию ядер с ненулевым магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле протоны и нейтроны этих ядер как маленькие магниты ориентируются строго определенным образом и меняют по этой причине свое энергетическое состояние. Расстояние между этими уровнями энергии столь мало, что переходы между ними способно вызвать даже радиоизлучение. Энергия радиоволн в миллиарды раз меньше, чем у рентгеновского излучения, поэтому они не могут вызвать какие-либо повреждения молекул.

Итак, сначала происходит поглощение радиоволн. Затем происходит испускание радиоволн ядрами и переход их на более низкие энергетические уровни. И тот, и другой процесс можно зафиксировать, изучая спектры поглощения и излучения ядер. Эти спектры зависят от множества факторов и прежде всего – от величины магнитного поля. Для получения пространственного изображения в ЯМР-томографе, в отличие от КТ нет необходимости в механическом сканировании системой источник-детектор (антенна передатчик и приемник в случае ЯМР). Эта задача решается изменением напряженности магнитного поля в различных точках. Ведь при этом будет изменяться частота (длина волны), на которой происходит передача и прием сигнала. Если мы знаем величину напряженности поля в данной точке, то можем точно связать с ней передаваемый и принимаемый радиосигнал. Т.е. благодаря созданию неоднородного магнитного поля можно настраивать антенну на строго определенный участок органа или ткани без ее механического перемещения и снимать показания с этих точек, лишь меняя частоту приема волны.

Следующий этап – обработка информации от всех просканированных точек и формирование изображения. В результате компьютерной обработки информации получаются изображения органов и систем в «срезах», сосудистых структур в различных плоскостях, формируются трехмерные конструкции органов и тканей с высокой разрешающей способностью.

Естественно, во время процедуры мозг добровольцев «нарезали» на слайды толщиной 4 мм. Делали это виртуально, с помощью функциональной МРТ, когда регистрируется изменение скорости кровотока в разных областях мозга, а в результате делается заключение об активности по принципу «чем больше крови, тем больше активность».

Тому Эйшеле и его коллегам было от чего отталкиваться: уже довольно давно известно, что за контроль однообразной работы отвечает задняя медиальная фронтальная кора; именно на неё и обратили внимание норвежцы.

Кроме того, необходимо было учесть работу нескольких структур, активных в режиме покоя и входящих в так называемую сеть работы по умолчанию. Это предклинье, передняя медиальная фронтальная кора и ретропластинчатая область коры. Во всех упомянутых участках обмен веществ и электрическая активность гораздо выше в покое, нежели если человек занимается какой-то мозговой деятельностью.

Как показали эксперименты, именно эта сеть и активируется за несколько секунд до ошибки.

В большинстве случаев это время составило 6 секунд, хотя у двух добровольцев прогноз получился более долгосрочным и достиг половины минуты. То есть мозг по непонятным пока причинам готовится войти в состояние покоя, что и обуславливает ошибки.

В мозге нашлось место стратегическому мышлению

Нейрофизиологи из Калифорнийского технологического института определили два участка мозга, взаимодействующих и играющих важную роль в интеллектуальных стратегических играх.

В работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Science, Алан Хэмптон и его коллеги отметили, что особенность таких игр в том, что необходимо не только планировать свои действия, но и просчитывать действия соперника. Для того, чтобы выявить, каким образом мозг работает в таких случаях, ученые просканировали добровольцев во время интеллектуальной дуэли с помощью магнитно-резонансного томографа.

Медиальная область префронтальной коры больших полушарий оказалась ответственна за прогноз действий соперника и воссоздание его модели поведения. В то же время задняя верхняя височная борозда отвечает за регулярное обновление сигнала – сопоставление модели с новыми действиями партнера.

Возможно, эта попытка сфилонить — защита от «перегрузки» нервной системы, но для доказательства этой версии необходимо провести дополнительные эксперименты с другой нагрузкой. Не менее вероятна и обратная ситуация — мозг просто не замечает «навалившейся» на него работы и решает отдохнуть.

Так или иначе, Эйшеле не стал делать таких выводов, чтобы объяснить наблюдаемый феномен. И хотя надежность «прогноза» под сомнение не ставится, из-за незнания механизмов этот метод пока попадает в категорию «шаманских».

Практическое применение открытия заманчиво, однако пока кажется маловероятным.

Тяжело себе представить авиадиспетчера, чье рабочее место оборудовано магнитно-резонансным томографом. Конечно, можно надеть на голову «сеточку» из электродов для снятия электроэнцефалограммы и автоматически «будить» мозг каждый раз, когда он захочет отдохнуть. Однако пока это остаётся далёкой перспективой, хотя жизнь неоднократно доказывала, что воплощение хороших научных идей в работающее устройство может и опередить понимание учёными механизма его работы.