естественно

111

тангенциально расположенных диполей, т.е. предположительно, нейронов, лежащих в бороздах, тогда как ЭЭГ отражает активность большей части корковых нейронов, как в бороздах, так и на поверхности мозговых извилин. Метод обладает рядом преимуществ перед регистрацией традиционной электроэнцефалограммы. В частности, радиальные составляющие магнитных полей, регистрируемые со скальпа, не претерпевают таких сильных искажений, как ЭЭГ. Это позволяет более точно рассчитывать положение генераторов ЭЭГ-активности, регистрируемой со скальпа.

3.1.7. Компьютерная томография (КТ)

Компьютерная томография— метод был предложен в 1972 г. Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенными за эту разработку Нобелевской премии. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями.

Компьютерная томография (КТ)— в широком смысле, синоним термина томография (так как все современные томографические методы реализуются с помощью компьютерной техники); в узком смысле (в котором употребляется значительно чаще), синоним термина рентгеновская компьютерная томография, так как именно этот метод положил начало современной томографии.

Рентгеновская компьютерная томография— томографический метод исследования внутренних органов человека с использованием рентгеновского излучения.

Компьютерная томография (КТ) — новейший метод, дающий точные и детальные изображения малейших изменений плотности мозгового вещества. КТ соединила в себе последние достижения рентгеновской и вычислительной техники, отличаясь принципиальной новизной технических решений и математического обеспечения. Главное отличие КТ от рентгенографии состоит в том, что рентген дает только один вид -части тела. При помощи компьютерной томографии можно получить множество изображений одного и того же органа и таким об-

112

разом построить внутренний поперечный срез, или "ломтик" этой части тела. Томографическое изображение — это результат точных измерений и вычислений показателей ослабления рентгеновского излучения, относящихся только к конкретному органу.

Рис. 24. Многослойная («мультиспиральная») компьютерная томография с внутривенным контрастным усилением и трёхмерной реконструкцией изображения.

Таким образом, метод позволяет различать ткани, незначительно отличающиеся между собой по поглощающей способности. Измеренные излучение и степень его ослабления получают цифровое выражение. По совокупности измерений каждого слоя проводится компьютерный синтез томограммы. Завершающий этап — построение изображения исследуемого слоя на экране дисплея. Для проведения томографических исследований мозга используется прибор нейротомограф.

При исследовании головного мозга основное значение имеет повышение или понижение плотности мозговой ткани. Уменьшение плотности на ограниченных участках характерно для инфарктов, кист, абсцессов. Повышенная плотность наблюдается при свежих кровоизлияних. Хорошо распознаются очаговые и диффузные изменения мозга при воспали-

113

тельных заболеваниях, пороках развития, травмах мозга. Отчетливо регистрируются изменения мозга, развивающиеся в результате процессов, приводящих к уменьшению объема мозговой ткани (хорея Гентингтона, болезнь ВильсонаКоновалова, болезни Пика, Альцгеймера).

3.1.6. Ядерно-магнитно-резонансная томография мозга.

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973, когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения.

Некоторое время существовал термин ЯМРтомография, который был заменён на МРТ в 1986 году в связи с развитием радиофобии у людей после Чернобыльской аварии. В новом термине исчезло упоминание на «ядерность» происхождения метода, что и позволило ему достаточно без-

Рис. 25. МРТ-изображение головы человека

болезненно войти в повседневную медицинскую практику, однако и первоначальное название также имеет хождение.

За изобретение метода МРТ в 2003 Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили Нобелевскую премию в области медицины. В создание магнитно-резонансной томографии известный вклад внёс также Реймонд Дамадьян, один из первых

114

исследователей принципов МРТ, держатель патента на МРТ и создатель первого коммерческого МРТ-сканера.

Томография позволяет визуализировать с высоким качеством головной, спинной мозг и другие внутренние органы. Современные методики МРТ делают возможным неинвазивно (без вмешательства) исследовать функцию органов — измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузии в тканях, видеть активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает данный участок коры (функциональная МРТ).

Метод магнитно-ядерного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Ядро водорода состоит из одного протона, который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в мощном магнитном поле, а также при воздействии дополнительных полей, называемых градиентными, и внешних радиочастотных импульсов, подаваемых на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте. На основе параметров протона (спинов) и их векторном направлений, которые могут, находится только в двух противоположных фазах, а также их привязанности к магнитному моменту протона можно установить, в каких именно тканях находится тот или иной атом водорода.

Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному моменту поля, причём во втором случае его энергия будет выше. При воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением определённой частоты, часть протонов поменяют свой магнитный момент на противоположный, а потом вернутся в исходное положение. При этом системой сбора данных томографа регистрируется выделение энергии во время «расслабления», или релаксации предварительно возбужденных протонов.

Первые томографы имели напряженность магнитного поля 0,005 Тесла, однако качество изображений, полученных на

115

них, было низким. Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля. В качестве таких источников применяются как электромагниты (до 9,4 Т), так и постоянные магниты (до 0,5 Т). При этом, так как поле должно быть весьма сильным, электромагниты приходится остужать жидким гелием, а постоянные магниты пригодны только очень мощные, неодимовые. Магнитно-резонансный «отклик» тканей в МР-томографах на постоянных магнитах слабее, чем у электромагнитных, поэтому область применения постоянных магнитов ограничена. Однако, постоянные магниты могут быть так называемой «открытой» конфигурации, что позволяет проводить исследования в движении, в положении стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования и проведение манипуляций (диагностических, лечебных) под контролем МРТ— так называемая интервенционная МРТ.

Для определения расположения сигнала в пространстве, помимо постоянного магнита в МР-томографе, которым может быть электромагнит, либо постоянный магнит, используются градиентные катушки, добавляющие к общему однородному магнитному полю градиентное магнитное возмущение. Это обеспечивает локализацию сигнала ядерного магнитного резонанса и точное соотношение исследуемой области и полученных данных. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области. Мощность и скорость действия градиентных усилителей относится к одним из наиболее важных показателей магнитно-резонансного томографа. От них во многом зависит быстродействие, разрешающая способность и соотношение сигнал/шум.

Современные технологии и внедрение компьютерной техники обусловили возникновение такого метода, как виртуальная эндоскопия, который позволяет выполнить трёхмерное моделирование структур, визуализированных посредством КТ или МРТ. Данный метод является информативным при невозможности провести эндоскопическое исследование, например при тяжёлой патологии сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Метод виртуальной эндоскопии нашёл примене-

116

ние в ангиологии, онкологии, урологии и других областях медицины.

Магнитно-резонансная ангиография (МРА) — метод получения изображения сосудов при помощи магнитнорезонансного томографа. Исследование проводится на томографах с напряжённостью магнитного поля не менее 1.0 Тесла. Метод позволяет оценивать как анатомические, так и функциональные особенности кровотока. МРА основана на отличии сигнала подвижной ткани (крови) от окружающих неподвижных тканей, что позволяет получать изображения сосудов без использования каких-либо рентгеноконтрастных средств. Для получения более четкого изображения применяются особые контрастные вещества на основе парамагнетиков (гадолиний).

Еще более высоким разрешением обладает метод пози-

тронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Исследование осно-

вано на введении в мозговой кровоток позитрон-излучающего короткоживущего изотопа. Данные о распределении радиоактивности в мозге собираются компьютером в течение определенного времени сканирования и затем реконструируются в трехмерный образ. Метод позволяет наблюдать в головном мозге очаги возбуждения, например, при продумывании отдельных слов, при их проговаривании вслух, что свидетельствует о его высоких разрешающих возможностях. Вместе с тем многие физиологические процессы в головном мозге человека протекают значительно быстрее тех возможностей, которыми обладает томографический метод. В исследованиях ученых немаловажное значение имеет финансовый фактор, т. е. стоимость исследования. К сожалению, томографические методы очень дороги: одно исследование мозга больного человека может стоить сотни долларов.

3.1.9. Методы моделирования

В познании механизмов работы мозга в последнее время возрастает роль методов теоретической нейрофизиологии, в частности методов моделирования. Модели бывают фи-

117

зические, математические и концептуальные. Под моделью обычно понимают искусственно созданный механизм, имеющий определенное подобие с данным рассматриваемым механизмом. Модель как исследовательский инструмент отражает наиболее существенные черты моделируемого объекта, не перегружая его подробными деталями, тем самым несколько упрощая объект исследования. Одним из постулатов теоретической нейрофизиологии является утверждение о сходстве по аналогии. Два механизма считаются аналогичными, если органы, соответствующие один другому, выполняют одну и ту же функцию. Из аналогии двух механизмов делается заключение о том, что функции одного механизма присущи и другому, у которого наличие таких функций экспериментально еще не установлено.

Разработка экспериментальных моделей синдромов, симптомов нервно-психических расстройств, представляет собой специальный подход к изучению расстройств высшей нервной и психической деятельности. Кроме того, использование патогенетически адекватных моделей этих расстройств позволяет проводить корректные испытания новых лекарственных средств и создавать патогенетически обоснованную, т.е. базирующуюся на знаниях о механизмах развития болезней, терапию.

Одно из направлений в экспериментальном моделировании синдромов, симптомов нервно-психических расстройств базируется на принципе детерминантных структур в патологии центральной нервной системы, сформированном академиком РАМН Г.Н. Крыжановским. (Крыжановский Г.Н., 1980, 1997).

На основе теории детерминантных структур был сформирован ряд нейропатологических синдромов: многоочаговой корковой эпилепсии, вестибулопатии патологически удлиненного сна. Создана модель процессуального психоза с прогредиентным течением (Крыжановский Г.Н., Лобасюк Б.А., Моховиков А.Н., Барцевич Л.Б., Москети К.В., 1987).

На основе методов математического моделирования, использованием множественного регрессионного и корреляционного методов анализа построены математические модели многоочаговой корковой фокальной эпилепсии (Лобасюк

118

Б.А., 1988, 2004, 2008).

3.1.10. Нейронные сети и исскуственный интеллект

Сегодня, как и сто лет назад, несомненно, что мозг работает более эффективно и принципиально другим образом, чем любая вычислительная машина, созданная человеком. Именно этот факт в течение стольких лет побуждает и направляет работы ученых всего мира по созданию и исследованию искусственных нейронных сетей (ИНС).

К первым попыткам раскрыть секрет высокой эффективности мозга можно отнести работу Рамон-и-Кахаля (1911) (Ramon-y-Cajal S. 1911), в которой была высказана идея о нейроне как структурной единице мозга. Однако нейрон имеет на 5—6 порядков меньшую скорость срабатывания, чем полупроводниковый логический элемент. Как показали более поздние исследования, секрет высокой производительности мозга заключается в огромном количестве нейронов и массивных взаимосвязях между ними.

Сеть нейронов, образующая человеческий мозг, представляет собой высокоэффективную, комплексную, нелинейную, существенно параллельную систему обработки информации. Она способна организовать свои нейроны таким образом, чтобы реализовать восприятие образа, его распознание или управление движением, во много раз быстрее, чем эти задачи будут решены самыми современными компьютерами.

ИНС является упрощенной моделью мозга. Она строится на основе искусственных нейронов, которые обладают тем же основным свойством, что и живые: пластичностью. Использование структуры мозга и пластичности нейронов делает ИНС универсальной системой обработки информации.

В общем случае ИНС— это машина, моделирующая способ работы мозга. Обычно ИНС реализуются в виде электронных устройств или компьютерных программ. Среди многих можно выделить определение ИНС как адаптивной машины:

Искусственная нейронная сеть (рис. 26) — это существенно параллельно распределенный процессор, который

119

обладает естественной склонностью к сохранению опытного знания и

Рис. 26. Простая нейронная сеть.

возможностью предоставления его нам. Знание приобретается сетью в процессе обучения. Для сохранения знания используются силы межнейронных соединений, называемые также синаптическими весами. Процедура, используемая для осуществления процесса обучения, называется алгоритмом обучения. Ее функция состоит в модификации синаптических весов ИНС определенным образом так, чтобы она приобрела необходимые, свойства. Модификация весов является традиционным способом обучения ИНС. Такой подход близок к теории адаптивных линейных фильтров, которые уже давно и успешно применяются в управлении. Однако для ИНС существует еще и возможность модификации собственной топологии, основывающаяся на том факте, что в живом мозге нейроны могут появляться, умирать и менять свои связи с другими нейронами.

Из сказанного выше становится ясно, что ИНС реализуют свою вычислительную мощь, благодаря двум основным своим свойствам: существенно параллельно распределенной структуре и способности обучаться и обобщать полученные знания. Под свойством обобщения понимается способность ИНС генерировать правильные выходы для входных сигналов, которые не были учтены в процессе обучения (тренировки). Эти два свойства делают ИНС системой переработки информации, которая решает сложные многомерные задачи, непосильные другим техникам.

В настоящее время предпринимаются попытки соз-

120

дания моделей нервной системы, в частности, с испол ь- зованием искусственных нейронных сетей. Поскольку наши знания о нейронах далеко неполны, модели могут быть лишь грубым приближением к реальным нейронным сетям, и еще слишком рано говорить о создании искусственного мозга сравнимого с человеческим. В настоящее время он еле дотягивает до уровня нервных систем улиток и дождевых червей, но уже сейчас нейронные сети часто выполняют функции бывшие ранее исключительно прерогативой человека, проводят сложные вычисления, позволяют следить за процессами, для которых отсутствуют какие-либо аналитические зависимости.

Первой попыткой создания и исследования искусственных нейронных сетей считается работа Дж. Маккалока (J. McCulloch) и У. Питтса (W. Pitts) "Логическое исчисление идей, относящихся к нервной деятельности" (1943 г.), в которой были сформулированы основные принципы построения искусственных нейронов и нейронных сетей. И хотя эта работа была лишь первым этапом, многие идеи, описанные здесь, остаются актуальными и на сегодняшний день.

Огромный вклад в нейронауку внесла детекторная теория. Ее основоположником считается Дж. Маккалок, который с группой своих сотрудников в 1959 году опубликовал в статью под названием "О чем глаза лягушки говорят мозгу лягушки", где впервые было введено понятие нейрона-детектора. Работа заинтересовала многих исследователей, наиболее успешные из которых - Р. Хьюберт и Т. Визела, объединив гистохимические и нейрофизиологические методы, показали, что нейроны зрительной коры кошки избирательно реагируют на линии определенного наклона. Объединенные в вертикальные колонки с общим для них наклоном, эти нейроны образуют анализатор, определяющий наклон линии в локальном участке пространства. Таким образом, понятие анализатора, введенное. И.П. Павловым на основании изучения условных рефлексов, обрело в рамках детекторной теории свою нейронную основу.

Большим прорывом в области нейроинтеллекта стало создание нейрофизиологом Френком Розенблатом в 1962 г. мо-