Любое живое существо должно уметь вовремя реагировать на изменения, происходящие в окружающем мире. И если животные, приспособившиеся за миллионы лет эволюции к определенным экологическим нишам, могут положиться на инстинкты, то человеку, вся суть эволюции которого сводится к возможности мыслить и принимать решения в сложных и неоднозначных ситуациях, необходимо иметь осмысленное представление об окружающем мире в любой момент времени. Причем обладать четким представлением об окружающем мире часто бывает необходимо, даже если ключевые объекты находятся вне зоны видимости, будь то путешествия по темному лесу или работа в экстремальных условиях.
На сегодняшний день известно, что если человек ориентируется в уже знакомой ему местности или находится в движении уже достаточно большой промежуток времени, то ориентирование он выстраивает, оценивая пройденный путь и заново восстанавливая в памяти образы и взаимное расположение объектов. Если же он попадает в незнакомую обстановку, то ориентирование в пространстве осуществляется только за счет кратковременной памяти. Именно она каждое мгновение обновляет представления о положении отдельно каждого внешнего объекта — за счет сопоставления данных о перемещении самого человека и непрерывного потока визуальной информации.
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 открыто 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 от нее.
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 разобраться, как и чем мозг ориентируется в проносящемся мимо него мире, учёным пришлось поставить хитроумный эксперимент, позволивший отделить разные виды информации, получаемой из внешнего мира, друг от друга.
Дело в том, что пополнять и постоянно исправлять данные о своем положении в пространстве человек может массой способов. Он может подсознательно фиксировать повороты собственного тела и количество шагов, ориентироваться по звукам и запахам и так далее. А потому до последнего времени оставалось непонятным, каким образом человеческий мозг непрерывно интегрирует поток зрительной информации с уже накопленными знаниями об окружающем мире и создает суждения о своем местоположении и направлении движения.
Нельзя сказать, что ученые не располагают на сегодняшний день вообще никакой моделью работы пространственной памяти. По современным представлениям, кратковременную память об окружающем хранит в себе особый отдел головного мозга — предклинье его полушарий.
До начала работ были определенные основания полагать, что оно же и занимается её непрерывной подстройкой под текущий момент. Чтобы доказать это, нейрофизиологам необходимо было заставить участников эксперимента постоянно следить за изменением своего положения в пространстве, одновременно ограничив круг их восприятия только визуальной информацией.
Помогли, как можно догадаться, эксперименты в области виртуальной реальности.
Ученые наблюдали за активностью различных участков головного мозга подопытных с помощью функциональной томографии, тогда как подопытные наблюдали за изменением положения в пространстве абстрактных виртуальных объектов в ходе трёх различных экспериментов. Таким образом, ученые сумели не только проконтролировать загруженность головного мозга информацией, но и провести сопоставления экспериментов с движением наблюдатели и без такового.
В ходе экспериментов выяснилось, что
человеческий мозг в движении может на основании одной визуальной информации более или менее точно отслеживать движение лишь трёх-четырех объектов.
Больше ему просто не под силу. Правда, если сам воспринимающий субъект не движется, это число может увеличиться.
Раньше, кстати, учёные уже получали результат, что одновременно в краткосрочной, «оперативной» памяти человек может держать не более трёх-четырёх объектов. Видимо, не зря мусульманину нельзя иметь большее количество жён: при этом он хоть об одной забудет и не будет заботиться, а это уже грех.
Собственно, эксперименты ставились следующим образом – испытуемому предлагалось изображение виртуального пространства с набором предметов различных цветов и форм. По прошествии некоторого времени объекты «растворялись» в общем черном фоне, а затем испытуемый наблюдал за перемещением виртуального пространства, как это обычно происходит в компьютерных «стрелялках» жанра FPS (first-person shooter). По завершении процедуры испытуемые должны были оценить финальное положение одного из «растворившихся» объектов, а учёные подсчитывали, как меняется точность таких оценок в зависимости от количества виртуальных предметов и продолжительности виртуального движения.
Кроме того, испытуемым предлагался второй вариант теста – без движения в пространстве; необходимо было указать изначальное положение объекта, возникшего на экране после затемнения и небольшой паузы. В третьем варианте теста испытуемым вместо того, чтобы указывать на объект виртуальным пальцем, предлагалось выразить его местоположение числом – углом направления на него.
Второй эксперимент показал, что увеличение загрузки памяти никак не сказывается на движении глаз, а это значит, что возбуждение верхней предцентральной извилины не было инициировано глазными мышцами. Третий же эксперимент, потребовавший от испытуемых вербального отклика, показал дифференциацию предклинья полушарий головного мозга и предцентральной извилины, которая откликалась только на невербальную задачу указания положения объекта.
Это означает, что задача постоянного обновления пространственной информации связана с взаимодействием двух процессов. В предклинье полушарий отслеживается собственное перемещение и на основании этого обновляются представления об окружающем мире. Одновременно в верхней предцентральной извилине не останавливается процесс планирования собственных телодвижений в краткосрочной перспективе.
Впрочем, такой механизм навигации в пространстве включается только тогда, когда человек впервые находится в незнакомой обстановке.
В этом случае ему приходится полагаться только эгоцентричное восприятие окружающей действительности, когда информация о взаимном расположении человека и каждого внешнего объекта постоянно обновляется. Эти данные позволят в будущем построить стройную и исчерпывающую теорию, описывающую пространственную память и навигацию, осуществляемую головным мозгом человека.
