Учёные знают, что у нас на уме

Ученые создали модель для распознавания зрительных образов с помощью ЯМР-томографии

Учёные научились читать мысли с помощью магнитно-резонансной томографии. Они построили модель, которая оказалась способна определить, какой зрительный образ у вас на уме, даже если прежде вы его ни разу не видели. Вскоре таким образом можно будет читать сны и смотреть чужие галлюцинации.

До сих пор было очень сложно определить, как выглядят маленькие розовые крокодильчики, рождающиеся в мозгу при использовании некоторых субстанций. Однако вскоре на помощь наркологам и психиатрам в этом нелёгком деле придёт ЯМР-томография. Ученые освоили методику «чтения» человеческой мозговой активности и теперь в состоянии точно определить, что у вас на уме.

И это вовсе не ловкий трюк, который используют уличные шарлатаны, развившие способность распознавания мельчайших движений ваших зрачков и непосредственно определяющие объект, на который вы уставились по каким-либо причинам. Как подчеркивает один из авторов работы, Джек Галлант, специалист в области активности головного мозга из Калифорнийского университета в Беркли, новая методика принципиально отличается от простого сканирования активности мозговых тканей с помощью функциональной магниторезонансной томографии – основного инструмента ученых для изучения работы отделов головного мозга.

В принципе, такое сканирование применимо для определения объекта внимания любого человека, однако она требует предварительной записи томограмм в ходе изучения набора изображений подопытным индивидом и сравнения их с полученными в процессе последующего визуального опыта. Грубо говоря, прежде учёные могли лишь определить лишь, изображение какого из заранее заданных данному человеку объектов находится перед его глазами — в реальности или в мечтах. Потому такая методика сильно ограничена базисным набором изображений и не способна дать положительный результат при восприятии нового зрительного образа, не входившего в исходный набор.

В своей новой работе Галлант вместе с сотрудниками создал модель отклика человеческого мозга в ответ на различные типы изображений, которая способна помочь достоверно определить объект внимания даже в случае совершенно нового зрительного восприятия испытуемого.

Отчет о достижении ученых принят к публикации в одном из ближайших номеров Nature.

В эксперименте команда Галланта демонстрировала двум испытуемым 1750 различных картинок и параллельно анализировала их мозговую активность. Затем группа исследователей показывала им по очереди 120 изображений, совершенно отличных от тех, что были показаны прежде, и на базе предыдущих результатов и построенной модели пыталась распознать новый зрительный образ. В результате вероятность точного определения изображения, рассматриваемого одним из подопечных (сами они были сотрудниками научной группы Галланта), составила 72%, в то время как на втором ученые продемонстрировали точность в 92%. Если бы ученые пытались определить очередную рассматриваемую картинку наугад, вероятность успеха не превысила бы 0,8%.

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.

Галлант в то же время признает, что для дальнейшего улучшения разработанного метода и определения внимания к объекту, прежде не известному ни исследователям, ни самом у испытуемому, необходимо моделирование работы мозга на совершенно ином уровне, затрагивающем изучение мозговой активности в ответ на сложную форму рассматриваемого объекта, его цвет, причем именно в виде комплексного восприятия. Как полагает Галлант, такая работа потребует и нового уровня точности магнитной томографии.

На данный момент ученые научились лишь моделировать ответ мозга на восприятие объекта определенной, довольно простой формы. Моделирования мозговой активности в ответ на комплексное восприятие – гораздо более сложная задача, но исследователи уже ставят её перед собой.

Актуальность работ, по мнению разработчиков аппарата для чтения мозговой активности, очевидна – он может применяться в медицинских целях для оценки последствий инсультов или курса приема определенных лекарств. Он также может быть полезен для диагностики слабоумия, выявления болезней или вмешательств другого рода на активность мозга.

Метод имеет и чисто научное приложение, он может оказаться полезным многим специалистам для анализа содержания визуальных ощущений людей — даже таких, как сны, воспоминания, видения, воображаемые образы и галлюцинации.

Новая методика, несомненно, заинтересует и специалистов в области психотерапии.

Достижение американских ученых по достоинству оценил и признанный специалист в области активности головного мозга Джон-Дилан Хайнес, исследователь из Института Макса Планка в немецком Лейпциге, показавший в прошлом году способность предсказывать результат работы человеческого мозга с набором чисел. Однако он все же предостерег от преждевременных заявлений, так как разработанные методы – не более чем первые шаги, позволяющие лишь надеяться на появление эффективных сканеров человеческих мыслей в будущем.