Томограф лишил разум воли

Сканирование мозга позволяет пресказать «спонтанное» решение за 10 секунд до его принятия

Ни одно решение не принимается «в последний момент». Немецкие нейрофизиологи научились предсказывать свободный выбор человека ещё до того, как тот его осознанно сделает. Непонятно только, может ли человек изменить предсказанную МРТ-сканером судьбу, хотя бы из вредности.

Понятие свободной воли, произвольного выбора в последний момент, похоже, всё-таки иллюзорно. Предсказать выбор и момент, в который этот выбор будет сделан, можно заранее. Как показала команда европейских учёных под руководством Джона-Дилана Хэйнеса из берлинского Центра нейрофизиологии имени Бернштайна, ещё за 10 секунд до, казалось бы, спонтанного решения в двух регионах мозга начинаются очень специфические процессы, которые можно зарегистрировать с помощью магнитно-резонансной томографии.

Понятие свободной воли выходит далеко за рамки нейрофизиологии и имеет не только научную — подчас весьма неожиданную, как в квантовой механике, но и общекультурную, и даже религиозную составляющие. Немецкие учёные не пытаются обобщать свои результаты на эти стороны человеческой жизни, однако отмечают, что их результаты, принятые к публикации в одном из ближайших номеров Nature Neuroscience, определённо ставят понятие свободной воли под сомнение.

Учёные нашли два участка мозга, перестройка активности которых наблюдалась за 7 секунд до принятия 14 добровольцами — участниками эксперимента решения нажать ту или иную кнопку.

Поскольку полное время сканирования мозга составляет около двух секунд, учёные полагают, что с лучшими по временному разрешению сканерами время предсказания можно будет довести примерно до десяти секунд.

Слух разделился надвое

Области мозга, ответственные за слух, физические разделены на часть, распознающую пространственный источник звука, и часть, определяющую его тип. Канадским учёным под руководством Стефана Ломбера удалось показать, что это разделение, прежде известное для зрения, относится и к слуху – по крайней мере, если речь идёт о кошках.

Нейрофизиологи смогли поочерёдно «выключить» в мозге кошки две области. При охлаждении передней части участка мозга, ответственного за слух, кошки теряли способность отличать разные звуки друг от друга, но сохраняли способность определять, откуда он приходит. При охлаждении задней части того же участка, всё было наоборот – кошки могли отличать собачий лай от писка мыши, но не могли понять, где находится источник звука. Работа учёных принята к публикации в Nature Neuroscience.

По мнению учёных, то обстоятельство, что «где» и «что» разделены как для слуха, так и для зрения, может указывать на общность этого принципа для организации мозга. Разделение зрительных функций для человека доказано, слуховых – пока нет.

Ещё в первой половине 1980-х годов удалось показать, что за несколько десятых секунды до «спонтанного» решения нажать на кнопку понижается потенциал двух симметрично расположенных участков мозга — особенно в правом его полушарии. Тем не менее результаты этого исследования можно было интерпретировать по-разному. Во-первых, не было ясно, связана ли активность этих участков мозга непосредственно с сознательным решением нажать на кнопку или она «подготавливала» это решение. Во-вторых, участки мозга, о которых идёт речь, непосредственно связаны с осуществлением движений — это так называемые вспомогательные моторные участки; поэтому трудно было догадаться, идёт ли речь о подготовке решения или подготовке к движению пальца на основании этого решения.

Кроме того, поскольку кнопку участникам эксперимента двадцатилетней давности предлагалось нажать всего одну, учёные могли предсказать лишь, когда испытуемый сделает свой выбор, но не какой именно выбор он сделает. Наконец, 0,2–0,3 секунды — не такое уж впечатляющее значение, если учесть, что в своей оценке времени «принятия решения» человек в среднем ошибается на полсекунды; к тому же никакого контроля этого времени в старой работе не было.

На этом фоне выделение двух участков мозга, наблюдение за которыми позволяет предсказать не только момент принятия решения, но и само решение – хоть за десять, хоть за пять секунд до осознания этого решения – впечатляет.

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.

Чтобы найти их, учёные воспользовались мощью МРТ-сканера и статистических методов математики, способных быстро распознавать меняющиеся структуры в огромных объёмах данных об активности мозга, поступающих от прибора. Нейрофизиологи попросили добровольцев, лежавших внутри работающих сканеров, нажать одну из двух кнопок левым или правым указательными пальцами. Кнопку можно было нажимать ту, что захочется, и делать это тогда, когда посчитаешь нужным. Во время опыта на экранах перед добровольцами каждые полсекунды менялись буквы, и помимо нажатия на кнопки от них требовалось запомнить литеру, горевшую на мониторе в «момент принятия решения»; таким образом Хэйнес и его коллеги оценивали представление людей об этом моменте.

Рассказывая о результатах работы, учёные отмечают, что, во-первых, руки подопытных были проворнее их глаз. Буквы, которые они запоминали «в момент принятия решения», на деле появлялись в среднем через полсекунды после того, как кнопка уже была нажата. Так что если вам вдруг покажется, что боль от удара молотком по пальцу вы почувствовали прежде, чем его боёк опустился на ноготь, не стоит удивляться. Причина не в провидческих способностях пальца, а в заторможенности зрения.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 3,
    "picsrc": "Расположение предсказывающих решение зон в мозге человека.//Nature Neuroscience",
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_2694825_i_3"
}

Во-вторых, и это самое интересное, математический анализ показал, что структура возбуждения двух участков мозга особым образом меняется за 5–10 секунд до того, как человек нажимает кнопку.

Первый из них расположен в так называемом поле Бродманна-10 — одном из полусотни участков мозга, выделенном в начале XX века немецким учёным Корбинианом Бродманном на основании строения составляющих его клеток. Десятое поле Бродманна расположено в передней коре головного мозга, и раньше было показано, что эта область мозга связана с планированием и принятием решений, способных оказать влияние на будущее. Левый край поля как раз и оказался наиболее подходящим для предсказания будущего решения. Второй такой участок расположен с другой стороны — в теменной коре, между предклиньем и задней поясничной областью мозга.

Дальнейшие опыты показали: наиболее вероятно, что само решение принимается всё-таки в десятом поле Бродманна, а теменная кора занимается хранением этой информации.

При этом речь идёт не об увеличении активности участка, а именно об изменении её структуры. Полный кровоток и электрическая активность этих участков не менялись, из-за чего эти участки и нельзя было обнаружить раньше.

Нейрофизиологи также показали, что можно предсказать и время принятия осознанного решения. Правда, наибольшей предсказательной силой обладали как раз моторные области. Учёные полагают, что это связано с разделением функций между участками мозга, осуществляющими выбор и подготавливающими тело к тому, чтобы этот выбор реализовать.

Сама предсказательная сила всё-таки оставляет желать лучшего.

Самый хороший результат, которого удалось добиться немецким нейрофизиологам, — угадывание будущего решения в 60 с небольшим случаях из ста. Отличие от «случайных» 50% вполне значимое и составляет два-три стандартных отклонения, однако вряд ли умение предсказывать поведение другого человека с вероятностью ошибки в 40% может многих удовлетворить.

Тем не менее эта ошибка может со временем уменьшиться, если скорость реакции сканеров и их пространственное разрешение улучшатся: более точные данные позволят выделить мозговые структуры и сигнал, свидетельствующий о том или ином выборе. Да и в любом случае, возможность предсказать «свободный выбор» заранее заставляет вновь задуматься о наличии у человека свободной воли и её физиологическом механизме.

Учёные признают, что в их работе не хватает одной детали — выяснить, способен ли мозг человека за отведённые ему последней работой 5–10 секунд изменить вроде бы принятое решение. Придумать эксперимент, способный дать ответ на этот вопрос, Хэйнес и его коллеги пока не смогли.