Что такое мрт в играх
Что такое МРТ диагностика?
Магнитно-резонансная томография (МРТ), как метод диагностики, все более широко применяется во многих областях медицины. С ее помощью доктора могут проводить прицельное обследование почти всего организма: от головного мозга до голеностопа, от носа до органов малого таза и самых мелких суставов кисти. Еще 10 лет назад на МР-сканировании трудно было в деталях разглядеть сердце или кишечник, но с приходом новых сверхвысокопольных томографов даже кардио-МРТ или виртуальная МР-колоноскопия стали возможными. Так что же такое МРТ, чем же она отличается от уже известных и широко используемых аппаратных диагностических методик рентгена и УЗИ, почему врачи предпочитают назначать именно этот метод исследования большинству пациентов с подозрением на опухоль, дегенеративными изменениями в позвоночнике и заболеваниями головного мозга?
Что такое МРТ?
Принцип действия магнитно-резонансного томографа
Типы МРТ аппаратов
Традиционно МРТ аппараты разделяются по типам конструкции на открытые и закрытые установки. Закрытые модели представляют собой большую цилиндрическую трубу, окруженную круговым магнитом. Некоторые модели МР-томографа сконструированы таким образом, что магнит не полностью окружает их. Такие аппараты получили название томографы открытого контура.
Магнитно-резонансные томографы различают и по мощности индукционного поля:
Использование того или другого вида аппарата зависит от цели обследования. К примеру: МР-исследование сустава, позвоночника, головного мозга, ангиография могут быть проведены на открытом или закрытом томографе, а магнитные катушки в этом случае будут располагаться только вокруг той части тела, которая в данный момент подвергается диагностике. Исследование внутренних органов проводится только на высокопольной МРТ. Томографию сердца, стопы или кисти лучше сделать на закрытой трехтесловой установке. Решение о нужной мощности МРТ аппарата обычно принимает лечащий врач и отмечает это в направлении на томографию.
Виды МРТ исследований
Показания
Кто дает направление на МРТ процедуру?
Ограничения
Что показывает метод МРТ?
Преимущества МРТ диагностики
Недостатки МРТ
Как проводится процедура МРТ обследования?
Магнитно-резонансная томография не требует специальной подготовки, за редким исключением, когда она проводится с использованием контрастного вещества или при исследовании органов малого таза и желудочно-кишечного тракта. Перед МРТ процедурой пациент должен оставить все металлические и электронные предметы, в том числе съемные протезы, в специальной комнате. В диагностическом кабинете обследуемый ложится на экзаменационный стол, который задвигается внутрь томографа. Для фиксации зоны обследования и усиления сигнала могут быть использованы специальные МРТ катушки.
Если нужно вводить контрастное вещество, медсестра предварительно делает инъекцию через вену или ставит катетер и подключает дозаторный инъектор. В зависимости от протокола сканирования перед и после инъекции будет сделана серия томографических изображений для сравнения того, как контрастный препарат окрасил зону обследования.
В течение процедуры необходимо оставаться неподвижным, только если врач не попросит задержать дыхание или напрячь мышцы. Отсутствие движения напрямую влияет на качество получаемых томограмм и точность диагностики.
В общей сложности МРТ исследование включает несколько последовательностей, в течение которых аппарат делает снимки. Процесс создания снимков иногда сопровождается громкими звуками, которые можно снивелировать специальными наушниками. Во время процедуры МРТ пациент может ощущать потепление в области обследования. Этого пугаться не стоит.
Противопоказания
МРТ диагностику не следует проходить беременным, а также больным с серьезными нарушениями в области почек, если МРТ проводится с контрастом.
Как это работает. Простым языком об МРТ
Эффективные диагностические процедуры делают жизнь лучше — как медикам, так и пациентам. Первые получают больше информации, и потому поставить диагноз могут точнее, на процесс тратится меньше времени. Вторая сторона также выигрывает — как минимум сокращается путь, который человек преодолевает, посещая кабинеты врачей. Хотя над этим превалирует желание вовсе не посещать докторов, оставаясь всегда здоровым. Впрочем, это возможно лишь в идеальном мире, а мы живем в несовершенном.
Как-то мы разузнали, как работает капсульная эндоскопия, предназначенная для безболезненных диагностических процедур и исследований труднодоступных участков желудочно-кишечного тракта. На этот раз попробуем разобраться в том, как работает магнитно-резонансная томография — еще один безболезненный способ получения данных о состоянии внутренних органов и тканей человека.
Обращаем ваше внимание, что материал публикуется исключительно в познавательных целях и не является инструкцией, рекомендацией, а также официальным, научным или медицинским документом.
Содержание
Простая теория
Вначале немного простой теории. МРТ (MRI в английском языке) представляет собой способ получения послойного изображения внутренней структуры того или иного объекта. Грубо говоря, МРТ помогает добыть виртуальные срезы тканей и органов живого человека без вторжения в его тело — это так называемый неинвазивный метод.
В основе лежит явление, которое именуют ядерным магнитным резонансом (ЯМР), и в прошлом к аббревиатуре МРТ в начале добавляли букву «Я» (в английском вместо MRI говорили NMR). Но от слова «ядерный» решили избавиться по простой причине — чтобы не нервировать народ, хотя с бомбами или радиоактивными элементами периодической таблицы Менделеева ничего общего здесь нет.
Если это как-то поможет понять лежащие в основе явления процессы, речь в данном случае идет об измерении электромагнитного отклика атомных ядер, возбуждаемых электромагнитными волнами разных сочетаний (поэтому, кстати, и слышен ритмичный звук разной тональности) в постоянном магнитном поле высокой напряженности, указанной в теслах.
Напряженность поля влияет на качество получаемой картинки. Чем мощность меньше, тем более узкий спектр применимости томографов, которые, в свою очередь, подразделяются на несколько основных типов — от низкопольных до сверхвысокопольных (от слова «поле», а не «пол»).
Утверждать, что чем мощнее, тем лучше, не станем. Скажем так: чем мощнее, тем более универсальна и точна система. Но чем более она универсальна, тем выше ее цена, которая может исчисляться сотнями тысяч долларов и даже переваливать за миллион.
У низкопольных напряженность поля составляет до 0,5 Т. Считается, что такие томографы без контрастирования позволяют получить базовую информацию. Затем следуют среднепольные (1 Т), высокопольные (1,5 Т) и сверхвысокопольные (3 Т). Есть и более мощные, но обычным медучреждениям они не нужны.
«Многие спрашивают, какая разница между 3 Т и 1,5 Т? Принципиальное отличие — в детализации и четкости картинки», — пояснила заведующая кабинетом МРТ центра «Томография» Веста Короленок. В качестве примера она рассказала о пациенте с небольшой опухолью: аппарат с 1,5 Т ее не заметил, а на 3 Т патологию увидели, отправив человека в один из РНПЦ.
Есть также томографы закрытого и открытого типа. Одна из особенностей первых, которые более распространены, заключается в ограничениях по габаритам пациента — очень полный человек попросту не поместится в «трубу». Кроме того, страдающие от клаустрофобии могут чувствовать себя неуютно в замкнутом пространстве, где к тому же нельзя двигаться. Открытые томографы позволяют проводить исследования отдельных суставов, позвоночника и даже головы. Слабая сторона томографов открытого типа — более низкая разрешающая способность: все они являются низкопольными и имеют напряженность магнитного поля не более 0,35 Т.
Что делать нельзя
Попасть внутрь томографа можно, но не всем. Прежде всего туда нельзя обладателям имплантов разных типов: от кардиостимуляторов до слуховых аппаратов. Причин несколько: во-первых, магнитное поле может повредить и/или нарушить работу импланта, во-вторых, есть шанс нанести температурную или иную травму пациенту, в-третьих, наличие импланта негативно скажется на результатах сканирования.
То же касается металла в теле — «спиц» и штифтов, дроби и осколков, хирургических зажимов и подобных элементов (титановые — исключение).
В некоторых случаях при сканировании применяются контрастирующие препараты, которые дополнительно увеличивают четкость изображения. Их компоненты могут вызывать аллергию, они обычно противопоказаны беременным женщинам, а также в период лактации.
Испытано на себе
В «Томографии» установлен сверхвысокопольный Siemens Magnetom Spectra 3 T. Легким агрегат назвать нельзя: его вес в снаряженном состоянии составляет около 7,3 тонны при длине туннеля в 173 см. Система позволяет применять до 120 элементов катушек для покрытия всей анатомической зоны (например, всей центральной нервной системы). Используется фирменное программное обеспечение Siemens, которое в первую очередь влияет на качество сканирования и итогового изображения со срезами толщиной 0,5—1 мм.
Обследуемого облачают в одноразовый безразмерный костюм, в котором отправляют в жерло томографа. Человека укладывают на стол (именно так называется конструкция, которая затем скрывается в туннеле). Чтобы как-то уберечь уши от громкого звука, на голову надевают наушники, из которых звучит легкая музыка. При желании можно вооружиться собственным трек-листом или аудиокнигой.
Это удивило: какие наушники, если металлов быть не должно? Все просто — звук в наушники-воронки передается не по проводам, а по трубкам из эластичного пластика, поэтому композиции звучат как из колодца. Стоит отметить, что заглушить «напевы» томографа аксессуар способен не полностью.
Выпрыгнуть из аппарата нельзя, поэтому на всякий случай в руку пациенту вкладывают грушу (правильно — сигнальное устройство). При приступах паники или по каким-либо другим причинам достаточно сжать ее, и у рентгенолаборанта, контролирующего процесс в помещении рядом (в так называемой пультовой), сработает чрезвычайно громкая сигнализация.
«Казалось бы, все хорошо, пациента уложили, но только успели закрыть дверь, как грушу уже нажали», — рассказывает нам Веста. По ее словам, бывают люди, которые устают в процессе, а он может длиться до двух часов. Поэтому иногда делается перерыв, чтобы пациент мог передохнуть. Это в первую очередь касается такого исследования, как МРТ всего тела.
Достаточно часто встречаются и люди с клаустрофобией, паническими расстройствами. В этом случае рекомендуют узнать у специалиста обо всех этапах исследования и посмотреть сам аппарат.
Сканирование может занимать определенное время, в нашем случае оно длилось около 20 минут. Вторые 10 (или все 19) тянулись бесконечно долго — ведь шевелиться нельзя, а очень хочется. «Хьюстон, у нас проблемы», — засело в голове в момент, когда по нарастающей начал чесаться нос (а это случилось, когда я подумал: «Главное, чтобы не зачесался нос»). Но легкий ветерок из вентилятора где-то над головой помог продержаться неподвижно до конца процедуры.
Делать в туннеле ровным счетом нечего — смотреть некуда, так как почти перед носом находится катушка (?), похожая на удерживающее устройство. Остается прикрыть глаза и слушать «магнитно-резонансную музыку»: система, собирая данные, гудит и «поет» в разной тональности, но всегда ритмично (на самом деле это сверхбыстрые вибрации). Иногда она замолкает, и ты думаешь: «Все, закончилось». Но пауза, которая требуется на донастройку системы, проходит, и ритм стартует заново. Говорят, некоторые умудряются заснуть в процессе — таким можно только позавидовать.
К слову, звучание томографа зависит от задействованных типов катушек и текущей программы.
«Выехав» из туннеля, хочется вскочить и идти — из-за неподвижного положения и громкого звука возникает короткое чувство дезориентации. Главное, не торопиться (да вам и не позволят).
Как долго может длиться сканирование?
— В центре «Томография» — до двух часов. Это МРТ всего тела с контрастированием. Как уже говорилось выше, в таких случаях мы разбиваем исследование на части.
Меньше всего времени тратится на исследование обычных суставов, например коленных. В стандартной ситуации [без патологий] оно длится не больше 15 минут для одного сустава. Но это время непосредственного нахождения пациента в томографе без учета анализа данных.
Компания Siemens постоянно разрабатывает новое ПО. Оно позволяет сократить время для некоторых видов диагностики. Например, можно ускорить сканирование суставов — до 8 минут, а головного мозга — до 6—10. Однако новые опции в ПО требуют тщательного изучения, проработки и оптимизации существующих протоколов исследования перед внедрением.
Есть ли откровенно сложные для томографа задачи?
— При исследовании брюшной полости, например, и если мы работаем в автоматическом режиме, аппарат подстраивается под движение диафрагмы, считывая данные при определенном ее положении. Это заметно увеличивает время исследования. Процесс можно ускорить, однако пациенту придется задерживать дыхание на 20 секунд много раз. Физически это непросто.
Какие-то ограничения для аппарата при его полной укомплектованности катушками отсутствуют. Мы, к примеру, пока не смотрим сердце и не проводим исследования молочных желез. Но в этом году будут закуплены необходимые компоненты.
Почему нельзя двигаться?
— Когда человек двигается, картинка получается размытой. В некоторых случаях, чтобы получить качественное изображение, необходимо подстраивать программу работы томографа. Нам необходимо четко видеть стенки тех же позвонков, структуру — это позволяет определить наличие патологии. Когда человек двигается, теряются даже контуры, диагностика серьезно затрудняется.
При некоторых типах сканирования мелкие и редкие движения не станут проблемой, однако в определенных случаях — когда размытые сканы попали на место с грыжей или иными изменениями — мы вынуждены повторять ту или иную серию для получения четких снимков.
Зубы надо сжимать, чтобы пломбы не вылетели?
— Что касается стоматологических вопросов, то никаких противопоказаний нет. Скорее возникают технические нюансы. Если это исследование головного мозга, артефакт [пломба, штифт] может попасть в зону исследования. Мы тогда выстраиваем программу так, чтобы обойти такие места и получить изображение нужной области.
У пациентов с татуировками, сделанными около 20 лет назад, когда в чернилах было высокое содержание металлов, возможен едва заметный нагрев. Встречаются крайне чувствительные пациенты, они обычно и рассказывают о подобных вещах.
Опасения, как правило, возникают у тех, кто проходит подобную процедуру в первый раз, а также у возрастных пациентов.
ПО, катушки
По словам Весты, МРТ позволяет увидеть то, что остается за кадром рентгеновских снимков. На экране рабочей станции врача при этом выведена картинка с переломами позвонка и крестца. «Эта травма на рентгене, сделанном в поликлинике, не видна», — поясняет наша собеседница.
Помимо технической части, непосредственное влияние на процесс диагностики оказывает набор программ для исследований и анализа данных.
Аппарат снимает картинку в трех плоскостях: корональной (вдоль тела спереди назад), сагиттальной (справа налево) и аксиальной (сверху вниз). При необходимости изображение можно визуализировать в 3D-режиме.
Вначале в дело вступает набор программ (или комплекс последовательностей), обеспечивающий получение информации, — собственно, сканирование. Выбор происходит исходя из того, какая область будет изучаться: для головного мозга — свой набор, для суставов — свой и так далее. Кроме того, алгоритмы отличаются и в зависимости от возраста пациента.
В автоматическом режиме после получения данных информация передается на рабочую станцию врача. Он, «вооруженный» своим софтом, просматривает результаты, при необходимости корректирует их и работает с изображением, позволяющим увидеть всю картину в целом или ее детали, то есть перед специалистом находится точная виртуальная модель (или карта) исследуемой области, органа.
Существуют узкоспециализированные наборы программ, к которым относится, например, алгоритм перфузии. Чаще он используется при возникновении опухолей, в частности, головного мозга, предоставляя информацию, которая позволяет определить степень злокачественности.
Конечно, не весь софт будет одинаково востребован. «Например, такие исследования, как трактография (выстраивание связей нейронов в головном мозге вплоть до мельчайших клеток — получается красивая цветная объемная картинка) или функциональная МРТ, которая подсвечивает зоны мозга, задействованные при определенных движениях, интересны, но используются в основном для диагностики сложных и редких заболеваний ЦНС», — поясняет Веста.
Считается, что МРТ может заменить некоторые болезненные или вредные процедуры диагностических исследований. Конкретный пример — маммография, к которой приходится прибегать, когда УЗИ сделать нельзя по ряду факторов, в том числе из-за возрастного. Метод высокоинформативный, но крайне дискомфортный, так как требует серьезной компрессии молочной железы, а при наличии патологии это может быть очень болезненно. «Альтернативой может стать МРТ. В настоящее время в Европе МР-сканирование молочных желез вытесняет из обихода врачей-маммологов маммографию. У этого метода огромные преимущества и большие перспективы», — отмечает собеседница.
«Раньше преимущественно использовалась компьютерная томография с контрастом — это колоссальная доза облучения. А если необходимо сделать такое обследование несколько раз в течение года… Тем более все рентгеновские контрастные вещества достаточно аллергенные», — говорит Веста.
Красивая картинка
Красивая картинка, подчеркивают в центре «Томография», без квалифицированных сотрудников картинкой и остается. В Беларуси проводят обучение МРТ, но в очень ограниченных объемах: на такие курсы не попасть, врачи съезжаются со всей республики. Длятся они месяц, чего, по словам специалистов, недостаточно для такой широкой области медицины. Поэтому заинтересованные в повышении своей квалификации врачи используют все возможные источники получения информации: от специализированных научно-медицинских сайтов и сообществ до отраслевых выставок и конференций.
«Врачи, направляя пациентов на МРТ, зачастую не обозначают цель исследования, которую они должны поставить перед другим доктором — врачом-диагностом МРТ. Пишут „МРТ головного мозга“. А для чего? Что они хотят увидеть?» — говорит Эмилия Мезина, главврач центра «Томография». По ее словам, обучение медиков должно позитивно повлиять на ситуацию, сделав исследование ценным для пациента с точки зрения получения информации, ведь эта процедура не из дешевых.
Благодарим медицинский центр «Томография» за помощь в подготовке материала.
Как увидеть мысли. Неортодоксальные приложения магнитно-резонансной томографии
Магнитно-резонансная томография (МРТ) сегодня используется не только для диагностики, но и для картирования функционального состояния нейронных сетей, позволяя в прямом смысле увидеть работу мозга в масштабе реального времени. С ее появилась возможность создания технологии игрового биоуправления, базирующейся на естественных механизмах саморегуляции функций человеческого организма.
В уникальных компьютерных играх, разработанных новосибирскими специалистами, пользователь обучается «руководить» виртуальным игровым сюжетом через волевые изменения своих физиологических характеристик (пульса, температуры, электрической активности мозга и т.п.). Игры можно использовать для решения широкого класса лечебных и реабилитационных задач, в том числе для оценки актуального психофизиологического состояния человека. Подобная игровая деятельность сама по себе обладает выраженным антистрессовым эффектом, но, главное, с помощью этой технологии можно раскрыть потенциальные ресурсы организма, которыми мы в нашей обычной жизни не умеем пользоваться
До недавнего времени фундаментальные сведения о работе мозга удавалось получать лишь из косвенных источников. Речь идет о прямых экспериментах на животных; наблюдениях за больными людьми, у которых поражение того или иного участка мозга проявляется в виде параличей, нарушений речи или памяти; нейропсихологическом тестировании; операциях на открытом мозге, позволяющих нейрохирургу видеть реакцию на конкретные раздражители; наконец, регистрации электрической активности мозга. Однако на основе результатов, полученных с помощью этих подходов, нельзя описать, как работает мозг при решении той или иной конкретной задачи. Возможность непосредственно наблюдать динамику познавательной (когнитивной) деятельности мозга, иными словами, «видеть мысли» появилась лишь с внедрением в исследовательскую практику технологии функциональной магнитно-резонансной томографии.
Гипотеза о связи интенсивности кровоснабжения мозга с его активностью получила распространение еще в конце XIX в. с легкой руки выдающегося британского физиолога Ч. Шеррингтона. Спустя много лет наличие этой связи было доказано радиографическими методами, подтвердившими прямую зависимость между обменными процессами в определенных работающих участках мозга и скоростью доставки к ним кислорода.
А чуть больше двух десятилетий назад сотрудники американской исследовательской организации «AT&T Bell laboratories» описали принцип визуализации активности зон головного мозга в режиме реального времени с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ), при которой контрастность изображения определяется степенью насыщения крови кислородом (Ogawa et al., 1990). Именно этот принцип лег в основу технологии функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) – динамического исследования активных зон мозговых структур в момент их деятельности, впервые опробованного на человеке спустя два года после первой публикации.
Маркер – кислород
Активация участка мозга всегда связана с потреблением энергии, поэтому она влечет за собой ускорение обмена глюкозы и трансформацию молекул гемоглобина – поставщика кислорода в нашем организме, – при которой оксигемоглобин, обратимо соединенный с кислородом, превращается в дезоксигемоглобин («восстановленный» гемоглобин).
МРТ (магнитно-резонансная томография) – это диагностическая процедура, в основе которой лежит эффект ядерно-магнитного резонанса. Суть его в том, что под действием магнитного поля протоны (положительно заряженные ядра водорода) в живых тканях способны переходить на более высокий энергетический уровень, а затем возвращаться в исходное состояние. Последнее сопровождается выделением энергии, которую можно измерить.
Затем полученный сигнал преобразовывают в так называемое Т1-взвешенное изображение (Т1 – время, за которое две трети протонов возвращаются в исходное состояние). Получаемое на выходе изображение будет различно для разных тканей, например, здоровых и больных.
Современные методики МРТ позволяют не только визуализировать с высоким качеством различные внутренние органы, но и исследовать их функцию. Благодаря отсутствию ионизирующего облучения этот метод можно использовать без ограничений и многократно проводить повторные исследования
Ключевым фактором для магнитно-резонансной томографии являются различия магнитных свойств разных форм гемоглобина. Так, оксигемоглобин является диамагнетиком, т. е. веществом, намагничивающимся против направления внешнего магнитного поля. Дезоксигемоглобин («восстановленный» гемоглобин), напротив, имеет свойства парамагнетика, намагничиваясь в направлении внешнего магнитного поля. Величина сигнала МРТ зависит от количества дезоксигемоглобина в ткани: чем выше концентрация, тем ниже сигнал. Показатель, который определяется соотношением двух форм гемоглобина и зависит от уровня кислорода в крови, называют BOLD (от анг. blood oxygenation level dependent).
Чем активнее работает участок мозга, тем больше кислорода он потребляет. При формировании действующего нейронного ансамбля увеличение локального потребления энергии уже в первые секунды приводит к возрастанию концентрации парамагнитного дезоксигемоглобина; затем следует реакция сосудистой системы, заключающаяся в увеличении местного кровоснабжения и кровенаполнения тканей мозга из-за роста объема и скорости кровотока.
Отсюда следует, что относительная величина сигнала МРТ может служить мерой активности зон мозга. Более того, результаты, полученные под контролем электроэнцефалографии на зрительной коре открытого мозга приматов, дают основания утверждать, что сигнал МРТ является линейным откликом на электрическую активность, которую генерирует действующий нейронный ансамбль (Logothetis et al., 2002).
Таким образом, функциональная МРТ, ориентированная на детектирование BOLD эффекта, является на сегодня оптимальным инструментом картирования нейрональной активности, точнее, функционального состояния нейронных сетей – основы визуализации наших мыслей и идей. Другими словами, именно с помощью фМРТ можно в прямом смысле увидеть, как наш мозг решает задачи в масштабе реального времени.
Сила мысли
С технологией фМРТ тесно связана нейробиологическая технология «интерфейса мозг–компьютер», своего рода «компьютерный симбиоз» (Каплан, 2005, 2012; Черникова и др., 2010). Речь идет о возможности с помощью электроэнцефалограммы получить отображение устойчивого «рисунка» биоэлектрической активности мозга, привязав этот рисунок к функции мозговых структур и образованию в них новых устойчивых нейронных ансамблей. При этом электроэнцефалограмма является не только источником информации о внутримозговых событиях: эти данные можно использовать в качестве сигнала обратной связи для контура произвольной саморегуляции функций организма.
Хотя нейробиология является самостоятельной научной областью, возникла она как «социальный продукт» для глубоких инвалидов, благодаря которому у людей, прикованных к коляске и лишенных самостоятельных двигательных навыков, появляется возможность управления искусственными конечностями, такими как механическая рука (Hochberg et al., 2012).
Одним из практических приложений нейробиологии является нейробиоуправление, нелекарственная технология, основанная на принципах вышеупомянутой адаптивной обратной связи – феномене, обеспечивающем механизм саморегуляции. В основе этой технологии лежит идея о том, что человека можно обучить волевому управлению неосознаваемыми физиологическими характеристиками, такими как частота пульса и параметры ритмов электрической активности мозга.
Способность человека целенаправленно изменять параметры электроэнцефалограммы была впервые описана американским ученым Дж. Камия еще в 1958 г. (эту способность изучали с целью управления функциональным состоянием мозга пациента и изменения тенденции развития психики). Дальнейшие исследования доказали удивительные способности нашего мозга к внутренним перестройкам, не предусмотренным природой. Оказалось, что с помощью нейробиоуправления можно сформировать у человека ранее отсутствовавшие навыки саморегуляции, образовать новые и «пробудить» дремлющие мозговые образования. При этом фМРТ дает возможность визуализировать реальную временную и пространственную динамику работы мозга.
Игра – активность индивида, направленная на моделирование той или иной реальной деятельности. Она позволяет человеку формировать и совершенствовать функции управления собственным поведением и произвольной активностью в целом.
При использовании игрового биоуправления игрок становится активным субъектом лечебного (коррекционного) процесса или процесса обретения новых навыков
С практической точки зрения, особый интерес представляет технология так называемого игрового биоуправления, когда человек обучается «руководить» виртуальным игровым сюжетом через волевые изменения своих физиологических характеристик, таких как кардиограмма, пульс, температура кожи и электрическая активность мозга.
Обыграть себя
В контексте нейробиологии игра – это психологическая реальность с большим числом нестандартных ситуаций, в которых невозможно стереотипное поведение. Компьютерный игрок привыкает перемещаться из одного виртуального мира в другой, быстро адаптируясь к новым виртуальным реалиям на основе личностных предпочтений.
Во время игры мозг ведет активную деятельность, определяя вариант действий, который в данный момент представляется наиболее выигрышным. В случае использования биоуправления игрок, овладев навыками саморегуляции, может управлять этим процессом, так как адаптивная обратная связь позволяет не только увидеть и «проиграть» различные стратегии поведения, но и оценить степень их эффективности. В этом смысле эта технология представляет собой мощный механизм обучения человека новым поведенческим стереотипам.
На базе Международного томографического центра СО РАН совместно с НИИ молекулярной биологии и биофизики СО РАМН (Новосибирск) проведен эксперимент по нейровизуализации «волевого» управления виртуальным игровым сюжетом на группе молодых мужчин.
Испытуемым предлагался игровой сюжет «Вира!», посвященный поиску подводных сокровищ. Каждый испытуемый, находясь в кольцевом магните томографа, управлял одним из аквалангистов, опускавшихся на дно. Скорость игрока напрямую определялась частотой сердечных сокращений: чем медленнее пульс, тем выше скорость. На протяжении игры информация о частоте пульса передавалась в виде визуального ряда на экран монитора, доступный испытуемому. Чтобы победить в игре, требовалось научиться мысленно управлять частотой пульса, т. е. развить навыки замедления сердечного ритма.
По результатам игр у испытуемых было выявлено шесть разных вариантов поведения, и для каждого из них была определена ведущая стратегия саморегуляции.
Например, при стратегии «пробы и ошибки с выходом на результат» испытуемый сначала делал несколько неуспешных попыток, но в конце концов достигал поставленной цели. Испытуемые с такой тактикой основное внимание уделяли не регуляции собственных физиологических показателей (т. е. пульса), а контролю над непосредственным игровым действием. Стратегия «маятниковая динамика» характеризовалась чередованием успешных и неуспешных попыток, а «последовательное обучение» – улучшением результата от попытки к попытке.
Анализ результатов эксперимента свидетельствует об определенной последовательности возникновения и развития зон активности в головном мозге испытуемых. «Пик» соревновательного сюжета приходился на четвертую – шестую попытки, когда последовательно в борьбу за выигрыш вовлекалось все большее число вновь образующихся нейронных ансамблей.
Интересно, что новые зоны этой активности локализовались, в том числе и в мозжечке. Анализ динамики их образования дает основание предположить, что мозжечок выполняет в нашем головном мозге роль не только регулятора двигательных функций, но и модификатора когнитивных (познавательных) функций, регулируя скорость, силу, ритм и точность мышления. При этом происходит последовательное развертывание программы когнитивных операций в режиме, организованном адаптивной обратной связью.
Именно так в игре «Вира!» формировалась «дорожная карта» когнитивного управления игровым сюжетом, согласно стратегии «проб и ошибок», наиболее распространенному варианту саморегуляции.
Ложь отличается от правды
Виртуальная реальность, представленная в виде игрового соревновательного сюжета, управляемого через волевую регуляцию физиологической характеристики, дает человеку уникальную возможность проявить обычно блокируемые особенности поведения. И в этом смысле не только виртуальная игра, но и вообще любой игровой тренинг позволяют нам выявить скрытые способности, которые мы сможем успешно использовать в реальной жизни.
В этом контексте представляет интерес анализ данных игрового эксперимента, проведенного в МТЦ СО РАН, в котором помимо «реального» биоуправления использовалось так называемое «имитационное» (ложное) биоуправление. Другими словами, когда развитие игрового сюжета было совершенно случайным и не зависело от действий испытуемого. При этом сами испытуемые не знали, что в одной из серий виртуальных тренингов реальная обратная связь отсутствует.
По оценке эффективности результата, достигнутого в этой игре, испытуемых можно разделить на две группы. Первая из них демонстрировала более эффективные стратегии саморегуляции при наличии реальной обратной связи, чем в случае «ложного» биоуправления. При этом даже в последнем случае испытуемым удавалось после нескольких неудачных попыток добиться замедления ритма сердечных сокращений.
Вторая группа продемонстрировала менее эффективную стратегию саморегуляции: даже на «реальном» этапе этим испытуемым удалось лишь частично добиться поставленной цели. При отсутствии же обратной связи наблюдался интенсивный и «хаотичный» поиск решения, что выражалось в увеличении разброса значений пульсового интервала.
И тем не менее обе эти группы испытуемых показали более высокую эффективность саморегуляции при реальном биоуправлении, чем при имитационном: мозг достаточно успешно отличал «правду» от «лжи».
Нужно сказать, что и реальное биоуправление, и его имитация сопровождались выразительной динамической картиной работы определенных мозговых образований, выражаемой в изменении объема активации и перераспределении зон активности. В процесс фактически вовлекалась вся поверхность коры головного мозга, причем подавляющее большинство корковых зон, задействованных при имитационном и реальном тренинге, пересекались и в обоих случаях характеризовались максимальными значениями активации. И все же надо отметить, что в режиме имитационного биоуправления ряд мозговых структур активизировался значительно сильнее, чем при реальном биоуправлении: новые нейронные ансамбли появлялись в мозжечке, веретенообразной извилине и в других отделах мозга.
БЕСПРОИГРЫШНЫЕ ИГРЫ Специалисты Института молекулярной биологии и биофизики СО РАМН (Новосибирск) и новосибирской Научно-производственной компании «Компьютерные системы биоуправления» создают уникальный продукт – компьютерные игры, соревновательный сюжет которых управляется физиологическими характеристиками человеческого организма (температурой, пульсом, дыханием, биотоками головного мозга и мышц).
Технология «компьютерного игрового биоуправления» базируется на естественных механизмах саморегуляции функций человеческого организма. При этом благодаря соревновательному характеру устраняется монотонность процедуры обучения: увлекательный сюжет мотивирует испытуемого, вызывая у него эмоциональный интерес к результату и таким образом способствуя более эффективному обучению навыкам саморегуляции.
Поскольку достижение выигрыша требует от испытуемого принятия нетривиальных решений, подобную игру можно квалифицировать как творческую обучающую деятельность, привлекательность которой заключается в непредвиденности конечного результата. Так как каждая последующая игровая попытка базируется на результате предыдущей, игровое биоуправление становится залогом самосовершенствования испытуемого, импульсом к поиску новых эффективных стратегий саморегуляции. А поскольку игрок мотивирован желанием выиграть, он вынужден держаться в предписываемых игрою рамках и сохранять спокойствие.
Игры, созданные на основе технологии биоуправления, можно использовать для решения широкого класса лечебных и реабилитационных задач. С их помощью можно оценить актуальное психофизиологическое состояние человека, к тому же подобная игровая деятельность сама по себе обладает выраженным антистрессовым эффектом. Но главное, с помощью этой технологии можно раскрыть потенциальные ресурсы организма, которыми мы в нашей обычной жизни не умеем пользоваться
Если же попытаться описать наиболее общий «маршрут» активации мозговых структур во время игры, то можно сказать, что после старта в работу сначала вовлекаются широкие корковые поля мозга, а заканчивается такой «когнитивный маршрут» в мозжечке. Последовательное вовлечение мозговых структур в организацию новых нейронных сетей во время виртуального тренинга обеспечивает возникновение нового навыка и его последующее закрепление в мозге. И в этом смысле подобные работы лежат в русле нового тренда в развитии современного социума, который получил название «игрофикация».
Эффективно или справедливо?
Психология – одна из наиболее перспективных сфер использования технологии нейровизуализации средствами фМРТ, потому что эта научная область практически лишена представлений о локализации (в анатомическом смысле) когнитивных функций. Ведь основные сведения об их «территориальной привязке» психологи обычно черпают из общения с пациентами, у которых инструментально обнаруживается локальное поражение мозга, либо которым на длительное время вживлены внутримозговые электроды.
В одной из работ американских исследователей была сделана попытка ответить на вопрос о локализации мозговых структур, призванных классифицировать такие когнитивные категории, как равенство и эффективность (Hsu Ming et al., 2008). Другими словами, структур, призванных решить извечную дилемму: как следует действовать – эффективно или справедливо?
В игровом эксперименте испытуемых «усаживали» за руль грузовика, везущего продукты питания в «голодный» район Южной Африки. Условия были таковы: если испытуемый будет неукоснительно следовать инструкции и раздавать продукты поровну каждому голодающему, часть груза обязательно испортится в пути. Если же пренебречь половиной нуждающихся, то потеря продуктов уменьшится в разы, но, естественно, достанется меньшему числу людей. Как же поступить? Пожертвовать потерей продуктов или же, руководствуясь «разумным» выбором, оставить половину нуждающихся без надежды на помощь?
Оказалось, что эмоциональная оценка «эффективности», «справедливости» и «общей пользы» принимаемого решения осуществляется тремя разными мозговыми структурами. Отдел мозга, называемый «скорлупа» (лат. putamen), отвечает за эффективность, кора «островка» (лат. insula) защищает интересы справедливости, совокупную же меру эффективности и неравенства, т. е. полезность, оценивает септальный орган (лат. septum).
Эти результаты согласуются с уже имеющимися данными, что именно вышеперечисленные мозговые структуры являются интеграторами различных психических «переменных» в вынесении окончательных «социально-ориентированных» приговоров и оценок. Можно предположить, что окончательное решение поставленной этической проблемы принимается путем сравнения сигналов из разных источников и сличения их с ретроспективным опытом, при этом в когнитивный процесс вовлекаются и другие области мозга.
Число публикаций, посвященных различным фундаментальным и прикладным аспектам функциональной магнитно-резонансной томографии и проблемам «интерфейса мозг–компьютер», за последние годы неуклонно растет (главным образом за рубежом, отечественных работ в этом списке практически нет). Развитие соответствующих технологий открывает сразу несколько перспективных прикладных направлений. Например, появилась возможность наблюдать за особенностями циркуляции крови в мозговом сегменте, находящемся в активированном состоянии, – это можно использовать для мониторинга определенных структур мозга в случае нарушения мозгового кровообращения (инсульта) или при подборе сосудистых препаратов.
Большие перспективы открывает и развитие когнитологии – направления нейронаук, занимающегося исследованием базовых механизмов работы мозга: «ментальными стратегиями», их локализацией, динамикой, способами использования и совершенствования в повседневной жизни. Так называемая «интерактивная стимуляция» дает возможности организовать обучающую (лечебную) обратную связь непосредственно через «заинтересованную» мозговую структуру. Визуализируя, например, поясную извилину или гиппокамп, вы получаете шанс «прямого разговора» с мозгом.
Функциональная магнитно-резонансная томография – мощный инструмент, позволяющий достичь качественно нового понимания организации головного мозга и особенностей высшей нервной деятельности человека и животных. Внедрение технологий фМРТ в различные сферы человеческой деятельности – нейромаркетинг, профессиональный кастинг, оценку эффективности образовательных программ, «детекцию» лжи и т. п., окажет огромное влияние на дальнейшее развитие не только самих нейронаук, но и всего общества в целом.
Каплан А. Я. Нейрокомпьютерный симбиоз: движение силой мысли // НАУКА из первых рук. 2012. № 6 (48).
Штарк М. Б., Коростышевская А. М., Резакова М. В., Савелов А. А. Функциональная магнитно-резонансная томография и нейронауки // Успехи физиологических наук, 2012. Т. 43, №1. С. 3—29.
В публикации использованы фото М. А. Покровского