Три примера того, как физика помогает изучать человеческий мозг

Мозг, несомненно, это один из самых проблематичных объектов для научного изучения. Нейробиологи нередко заходят в тупик, пытаясь понять, что там на самом деле происходит, и иногда помощь приходит с неожиданной вроде бы стороны - от коллег-физиков. Естественно, у специалистов этого профиля нет ответов на вопросы, связанные с работой мозга, зато есть самые современные инструменты для их поиска. Сегодня мы расскажем о трёх из них.

1. Астрономия

Огромной проблемой для телескопов наземного базирования является то, что атмосфера нашей планеты искажает доходящий до них свет. Чтобы избавиться от этих помех, самые современные приборы этого типа меняют форму зеркал до тысячи раз в секунду. В результате они «видят» практически с той же четкостью и детализацией, что космические обсерватории, которым воздушная среда не мешает. Сегодня похожая технология внедряется в микроскопию. Естественно, между линзами микроскопов и теми объектами, которые они рассматривают, атмосферы немного, однако здесь помехи генерируются еще более проблематичной субстанцией - живой тканью. Она тоже искажает свет, и если исследователю надо взглянуть на клетки мозга, он не может убрать с картинки всё лишнее и ненужное.

Ещё совсем недавно учёным приходилось довольствоваться размытыми изображениями с низким разрешением, однако новый метод, получивший название «адаптивная оптика», постепенно меняет ситуацию к лучшему. Понятно, что искажения, создающиеся воздухом и гораздо более плотной тканью человеческого тела, сравнивать нельзя. Однако в случае с не слишком глубокими препятствиями адаптивная оптика уже позволяет получать значительно более четкие изображения. Производители микроскопов один за другим включают описанную технологию в список полезных опций своей продукции. Со временем, всё более совершенствуясь, она способна дать нейробиологам немыслимые ранее возможности.

2. Физика элементарных частиц

Не так давно совместная исследовательская группа, состоящая из физиков и нейробиологов, внесла значимое усовершенствование в ставшую уже привычной технологию ЭЭГ. Электроэнцефалография - это чрезвычайно важный инструмент, применяющийся для диагностики эпилепсии, инсультов и опухолей головного мозга. Для отслеживания процессов здесь используются электроды - они улавливают сигналы, с помощью которых «общаются» нейроны. Однако ЭЭГ может применяться и для стимуляции клеток мозга. До недавнего времени электроэнцелографы либо только сканировали, либо стимулировали. Почему? Потому что для второй задачи нужна энергия шести-семи пальчиковых батареек, а в первом случае обнаруживаются сигналы, которые слабее примерно в миллион раз.
 

Аппараты ЭЭГ не обладают таким значительным диапазоном чувствительности, поэтому учёные не могут, например, стимулировать мозг и тут же измерять его реакцию. А эта возможность представляется очень важной, так как она показала бы связь между активностью в одной области мозга и ответной реакцией в другой. Это позволило бы лучше понять и, возможно, научиться лечить определенные расстройства. К счастью, на помощь пришёл опыт, наработанный в физике элементарных частиц. Обнаружение сверхслабых сигналов посреди гораздо более сильных - это именно то, чем учёные занимаются здесь постоянно.

Упомянутая чуть выше группа инженеров взяла аппарат ЭЭГ, способный обнаруживать слабые сигналы мозга, и усовершенствовала его посредством дополнительной электроники. В результате у него появилась возможность совмещать обе полезные функции. Как истинные учёные, конструкторы провели первое испытание на себе, убедившись в том, что аппарат работает, как положено. Он пока может обнаруживать лишь базовые сигналы мозга, однако исследователи трудятся над расширением его чувствительности.

3. Сейсмология

Сегодня, чтобы увидеть происходящее внутри человеческого мозга, врачи могут либо поместить пациента в аппарат МРТ, либо с помощью рентгена провести компьютерную томографию. Однако у обоих этих методов есть недостатки. В этой связи исследователи рассматривают возможность изучения наших черепов посредством ультразвука. Здесь используются звуковые волны, которые, отражаясь от препятствий, регистрируются датчиком, прорисовывающим конечное изображение. Метод прекрасно работает с таким важным органом, как женская матка, и его неоднократно пытались применять для исследования мозга. Главная проблема заключалась в том, что из-за сферической формы и твёрдой текстуры черепов звуковые вибрации отражаются и перенаправляются сложным образом, поэтому создавать изображения приемлемого качества до недавних пор не удавалось.

Однако надо понимать, что здесь всё очень похоже на то, как движутся сейсмические волны внутри нашей планеты. Геофизики уже давно работают над этой проблемой. Для создания картины того, что находится и происходит внутри Земли, они поначалу рисуют приблизительную схему среды, которую собираются исследовать. Затем, получая реальные сейсмические данные, они шаг за шагом подправляют и настраивают свою модель. Это помогает отсеять ненужные данные и конечное изображение получается довольно чётким. Сегодня инженеры пытаются применить те же принципы для создания ультразвукового изображения человеческого мозга. Эксперименты пока были проведены только в компьютерной среде, а не на реальных образцах, но результаты, по словам учёных, выглядят многообещающе. Если эту технологию удастся довести до ума и превратить в конечный продукт, перед ней откроются огромные перспективы. Ультразвуковой сканер для мозга будет достаточно компактным, чтобы поместиться, например, в машину скорой помощи, и это позволит медикам диагностировать те же инсульты ещё до того, как пациент попадает в больницу. Это может спасти множество человеческих жизней.

Статья имеет ознакомительный характер, самолечение не приемлемо. Обязательно проконсультируйтесь со своим лечащим врачом.

Темы статьи:

ээг-мониторинг, исследования головного мозга