УПС и детектор ошибок

Два года назад не стало всемирно известного ученого и удивительного человека — Натальи Петровны Бехтеревой. В годовщину этого печального события мы предлагаем нашим читателям фрагменты из книги воспоминаний о ней, вышедшей осенью 2009 года в издательстве «Сова» в Санкт-Петербурге («Наталья Бехтерева. Какой мы ее знали». Под ред. С. В. Медведева). Эта глава написана ее сыном, членом-корреспондентом РАН и директором санкт-петербургского Института мозга человека им. Н. П. Бехтеревой — Святославом Всеволодовичем Медведевым.

В начале 60-х годов ХХ века в жизни Натальи Петровны происходят два, казалось бы, не связанных события: трехмесячная стажировка в Великобритании и вызов к секретарю ЦК КПСС.

В Англии летом 1960 года НП (как ее называли друзья и ближайшие сотрудники) завязывает ряд очень важных знакомств с известными учеными. Но встреча в Бристоле с Греем Уолтером — пожалуй, крупнейшим исследователем человеческого мозга прошлого столетия — кардинально изменила ее жизнь. НП не раз говорила, что Грей один из очень немногих, кто действительно понимал мозг. Вероятно, также, как ее дед — Владимир Михайлович Бехтерев (академик В. М. Бехтерев 1857–1927 — выдающийся психиатр, невропатолог, физиолог, психолог, основоположник рефлексологии и патопсихологического направления в России. Основал в Санкт-Петербурге психоневрологический институт. — Примеч. ред.). Может быть, после общения с Греем НП решила исследовать не ЭЭГ, а сам мозг как наисложнейший объект во Вселенной.

Вообще НП вернулась из Англии совсем другим человеком. Изменился не только внешний вид (она радикально поменяла прическу). Самое главное, что уезжала она с одним темпераментом, а вернулась с другим. Это все равно что сравнить гоночный автомобиль с «Волгой».

Великая материальная сила

НП начала поход за вживленные электроды. Вообще, походы были в ее стиле и ее страстью. Большинство заканчивались победой. У нас была шутка: «Идея, овладевшая НП, становится материальной силой».

Вживленные электроды... Даже сейчас, говоря о них, многие испытывают трепет. Хотя имплантация электродов и стимуляция подкорковых ядер при паркинсонизме — сейчас рутинная операция. А тогда об этом даже говорить было страшно. К тому же первыми этот метод разработали и применили фашисты в концлагерях. Я помню высказывания в то время об «этих канадцах» (имелись в виду величайшие ученые Джаспер и Пенфилд), которые забивают в голову живому человеку золотой гвоздь и проводят свои человеконенавистнические эксперименты. Наш парторг такого не допустит.

С Г. Уолтером. Англия, Бристоль, 1962 год.

Но НП все преодолела. Как? Не знаю, по малолетству. Минздрав СССР дал разрешение, и в 1962 году в Ленинградском нейрохирургическом институте имени А. Л. Поленова (ЛНХИ) провели первую операцию по имплантации электродов больной, страдающей болезнью Паркинсона. И это было не слепое копирование гениального Уолтера. У него электроды вводили не прицельно, веером и потом уже проверяли, куда попали. НП предложила вводить их стереотаксическим методом и, что очень важно, — сказала, куда надо вводить. Именно на этом и была позднее построена ее сотрудником и одним из моих учителей В. М. Смирновым наука — «стереотаксическая неврология».

Вообще, в этот момент НП поняла, что должна существенно расширить свои познания. Для ее новых устремлений уже не хватало только медицинских знаний. Она устраивает частные уроки для себя и своей ближайшей сотрудницы Натальи Ивановны Моисеевой. Проходит университетский курс матанализа, много пытается узнать от физиков. Кстати, именно НП начала массово принимать на работу в медицинские подразделения физиков и математиков.

Первую операцию начали утром, а закончили после полуночи. Столь долгое время объяснялось тем, что необходимо было провести расчеты для стереотаксического введения, а в распоряжении медиков тогда были только арифмометр и логарифмическая линейка. Оперировала блестящий нейрохирург Антонина Николаевна Орлова. Цена ошибки была и жизнь пациентки, и «жизнь» врачей, их дальнейшая работа. Но больная почувствовала себя лучше уже на операционном столе. Для первой операции НП выбрала тяжелейшую больную, которой не помогало никакое лечение. Она была прикованным к постели инвалидом, учительницей математики, которая даже не могла отличить круг от треугольника. И вот через несколько недель по коридору ЛНХИ неслась с огромным тюком в руках (помогала медсестре) молодая привлекательная женщина. Конечно, полностью паркинсонизм не ушел, это системное заболевание. Через двадцать лет женщина опять поступила в клинику, но двадцать лет нормальной жизни дорогого стоят.

Эти работы, по сути, стали настоящим прорывом в исследовании мозга. Впервые врач мог очень щадяще и вместе с тем эффективно вмешиваться в работу сложнейших мозговых систем. Но еще более важно то, что исследователь получал не традиционную электроэнцефалограмму с поверхности головы, а разнообразные сигналы «изнутри» мозга, вплоть до импульсов отдельных нейронов из коры и подкорковых ядер.

Говорят, что сегодня электростимуляцией мозга не занимается только ленивый. Более того, серийно производятся имплантируемые стимуляторы. Словом, рутина. А в то время НП столкнулась с неприятием, которое иногда доходило до яростного сопротивления. Вообще подобное не раз случалось на протяжении всей ее жизни. Прорыв, успех, резкая критика, потом — множество людей, которые «всегда это знали», а через несколько лет — рутинный метод исследования или лечения. Иногда даже прямое заимствование результатов.

Через несколько лет, уже в больнице на улице Гастелло, случилась трагедия — пациентка с электродами повесилась. К сожалению, такое редко, но бывает. При паркинсонизме тяжелая депрессия более чем оправданна. В то время операция уже стала почти рутинной. Тем не менее поступила анонимка, и пришла строжайшая комиссия. НП с сотрудниками — а это была действительно команда — выстояли. Они доказали свою невиновность. Но чего это стоило! А если бы нечто похожее произошло с первой больной?

С первой пациенткой, вылеченной методом вживленных электродов.

В 1962 году НП вызвали в ЦК КПСС. Принимал ее Александр Николаевич Шелепин — член Президиума и секретарь ЦК, один из самых влиятельных людей в то время. Разговаривали несколько часов очень неформально: «вообще» о науке, о жизни, о ее планах. Наталья Петровна рассказывала о том, что можно лечить болезни мозга, что можно и нужно исследовать, как мозг мыслит, как в нем организованы процессы, обеспечивающие эмоции, речь и многое другое.

Дальнейшее было полной неожиданностью. А. Н. Шелепин сказал, что принято решение назначить НП заведующей отделом науки ЦК (это был очень высокий пост, но тупиковая должность для ученого). Однако, поговорив с НП, А. Н. Шелепин понял, что нецелесообразно отрывать такого сильного ученого от науки. Он предложил ей любой институт или в любой институт на любой пост. Плюс обещание материальной поддержки. Наталья Петровна выбрала Институт экспериментальной медицины, в котором решила организовать отдел.

Название отдела было вызывающим (как и многое, что делала НП): «Отдел прикладной нейрофизиологии человека». Вызывающим, поскольку в то время нейрофизиология была исключительно экспериментальной наукой, на кроликах и крысах. При этом у НП была программа исследования мозга на десятилетия вперед. Планировалось исследовать мозговой субстрат мысли, мозговые коды, то, как работают клетки мозга при деятельности человека, и применить эти знания для лечения больных.

Как известно, при создании новой организации возникают четыре проблемы.

Первая — программа работ. Она существовала в голове у НП и была отражена в ее выступлениях. Вторая — кадры, которые, как известно коммунистам, решают все. Нужно было подтянуть талантливую молодежь, а главное — руководителей среднего звена, завлабов и старших научных сотрудников. Как правило, такие люди либо уже имеют свое направление и их очень трудно переориентировать, либо они его так и не сформировали. НП удалось найти и заинтересовать и тех и других.

Третья — оборудование. Приборы дорогие, но они еще и фондируемые. В то время мало было иметь деньги, надо было еще быть включенным в план поставок. Одной из серьезных проблем, как уже говорилось, было большое время стереотаксических расчетов. Все это время (часы) больной лежал на столе с трепанационным отверстием, прикрытым салфеткой. Поэтому НП идет к Акселю Ивановичу Бергу — тогда он был главным в стране по кибернетике — и выпрашивает у него самую современную в то время машину «Минск-1». И вот в большом зале на Кировском проспекте устанавливается ЭВМ. На лампах. Она часто выходила из строя: то лампа перегорит, то контакт окислится. Скорость ее вычислений поражала воображение — 2000 операций в секунду. Картина была впечатляющая. Посередине комнаты стоит ревущий и гудящий монстр, а вокруг него пляшут несколько голых (в одних трусах) инженеров и техников, непрерывно его ремонтируя. Голых, потому что машина потребляла киловатты и исправно превращала их в тепло. Но свою задачу проведения операционных расчетов она впервые в мире выполняла.

И наконец, четвертая проблема: помещения. Сначала дали три комнаты без мебели на Кировском проспекте. Ремонтировали сами. Клиники не было. Потом постепенно прибавлялась комната за комнатой. Вместо своей клиники появлялись клинические базы в разных больницах города. Нельзя сказать, что это было оптимальным решением, но положение спасало.

Зачем НП была нужна клиника и работа с больными? Она сформировалась именно в условиях больницы и считала себя настолько же врачом, насколько и ученым. Кроме того, слово «прикладной» в названии отдела отражало направленность работы — поиск и применение новых методов лечения на основе знаний о мозге человека. Надо понимать, что в то время задача исследования мозговых кодов психической деятельности в практическом смысле считалась не то что невыполнимой, но даже чем-то вроде научного авантюризма. Об этом мечтал Грей. Но он был предельно независим и почти нищим, поэтому мог себе позволить такое поведение.

А у нас исследовали нейрон, отдельные клетки и их ансамбли, а также поведенческие реакции, условные рефлексы. Причем в основном на виноградных улитках, на крысах, кроликах. Именно эти работы составили славу отечественной физиологии. Но они не дали исчерпывающего ответа на то, как это происходит у человека.

Именно мечта о раскрытии кодов мозга и была той мощнейшей силой, которая заставила НП работать в клинике. Ведь в то время не было, по сути, ничего, кроме ЭЭГ. Не было средств нейровизуализации, таких, как ПЭТ или фМРТ. В руках НП был прорывной метод долгосрочных имплантированных электродов, непосредственный контакт с мозгом. Возможность регистрации активности из глубины мозга. Наконец, регистрация импульсной активности нейронов.

Но такую операцию, безусловно, можно было делать только для лечения тяжелого заболевания ... Именно поэтому работа с больными — очень мощный способ познания устройства человеческого мозга. Это одновременно и способ поиска новых методов лечения. Один из наших лозунгов: «Когда знаешь, как устроена система, становится понятно, как ее чинить»...

Утро — не для дирекции

Вообще, создать такое — подвиг. Но надо еще учесть, что это все было создано при затрате времени три часа в день. НП позволяла себе заниматься административной работой только после трех часов дня. Утро было для лаборатории, для науки. Только это позволяло ей оставаться в первую очередь ученым даже при огромных административных нагрузках.

В шестидесятые годы Наталья Петровна выдвигает целый ряд прорывных концепций и теорий.

Теория устойчивого патологического состояния. НП рассказывала, что это было для нее как озарение, и долгое время считала, что теория настолько очевидна, что наверняка уже существует — она просто о ней не знает. Она даже исподволь расспрашивала коллег, не слышали ли они о том, где можно ознакомиться с этой концепцией. Никто не знал. И тогда она решилась на публикацию.

Организм человека в норме поддерживает нормальное состояние. Это было известно. При определенных заболеваниях, обычно хронических или длительных, в организме формируется патологическое состояние, при котором организм борется с болезнью или просто старается выжить. Суть теории в том, что это патологическое состояние может стать устойчивым и самоподдерживающимся. Даже когда фактор, вызывающий проблемы, пропадает, организм может сам из этого состояния не выйти. Вот это состояние, когда организм продолжает вести себя как больной уже при отсутствии болезни, НП назвала устойчивым патологическим состоянием — УПС.

Физиологически механизм его формирования понятен. Ведь гомеостаз, стабильность — универсальное свойство живых систем. Именно он поддерживает выживание. Однако в какой-то момент организм начинает «считать правильным» с трудом достигнутое патологическое, но тем не менее обеспечивающее жизнь состояние. Из этого вытекает еще один важнейший момент. Переход из УПС к нормальному состоянию должен сопровождаться фазой дестабилизации. Одно устойчивое состояние не может плавно перейти в другое, на время должно произойти ухудшение. Кстати, это и есть причина устойчивости УПС — организм борется против ухудшения состояния. Сейчас это звучит вполне логично и, кажется, не может быть иначе. Именно поэтому НП думала, что не она первая, что кто-то это уже сформулировал. Но она была первой.

Как и во многом другом. Еще одно крупнейшее открытие НП и Валентина Борисовича Гречина в 1968 году — детектор ошибок. Открытие было сделано попутно, в процессе лечения разных заболеваний (болезни Паркинсона, эпилепсии и пр.) с помощью долгосрочных имплантированных электродов.

Предполагается, что симптомы разнообразных заболеваний мозга вызваны тем, что определенные его элементы функционируют неправильно, следовательно, выключение этих участков или определенное воздействие на них может устранить симптомы заболевания. Это, в общем, было известно. Но весь вопрос в том, какие это участки и что нужно с ними делать. В мозгу около 10 миллиардов нейронов, и каждый из них работает по-своему. Это означает, что в миллиметре друг от друга могут находиться участки, деятельность которых будет поддерживать совершенно разные функции. Кроме того, мозг каждого человека уникален как по форме (размеру и форме головы), так и по локализации его функциональных зон на микроуровне. А воздействовать надо именно на участки со строго определенной специализацией, которые еще нужно найти. НП уже знала, где приблизительно находится цель, но только приблизительно. А для выздоровления больного это надо знать точно. Случайное разрушение не того участка может привести к печальным последствиям.

Поэтому из золотой царской монеты были специально изготовлены проволочки толщиной в сто микрон. Их скручивали и прицельно вводили по шесть таких тончайших пучков в полушарие, причем контакты у этих электродов были расположены на небольшом расстоянии друг от друга по длине пучка. Сначала электрическими импульсами воздействовали на различные участки около электродов и определяли, где находятся нужные. Потом их начинали либо «воспитывать», либо выключать. Сначала выключение было временным, чтобы проверить, нет ли побочных эффектов и присутствуют ли позитивные. И только если все было нормально, эти участки разрушали.

Принципиально важно, что, когда электроны введены, с их помощью можно не только воздействовать на мозг, но и регистрировать информацию из мозга. Так были получены внутримозговые аналоги ЭЭГ, данные о мозговом кровотоке, исследованы так называемые сверхмедленные процессы, а позднее — импульсная активность нейронов. Для этого, в частности, больного просили решать определенные психологические задачи. Иногда он выполнял их правильно, а иногда ошибался. Оказалось, что, когда человек делает ошибку, концентрация кислорода в мозгу меняется. Уровень кислорода отражает мозговой кровоток, а он, в свою очередь, связан с активностью нейронов на определенном участке. Так обнаружили область, контролирующую правильную деятельность мозга. Этот механизм назвали детектором ошибок.

Через десять лет финский ученый Ристо Наатанен открыл феномен «негативности рассогласования». Это сигнал на электроэнцефалограмме, который возникает, когда вы сталкиваетесь с чем-то неожиданным в окружающей слуховой среде. Вы ведете машину, вы не слышите звука двигателя. Но как только он застучит, вы сразу же реагируете. Это значит, что вы обращаете внимания не на рутину, а только на что-то необычное и важное. Это тоже разновидность детектора ошибок.

НП писала о том, что система детекции ошибок является одной из основных в деятельности мозга. У нас для большинства видов рутинной деятельности есть некий стандарт того, как это надо делать. Когда вы утром встаете, то не планируете определенные процедуры: мытье, бритье и прочее. Вы это делаете автоматически. Так, можно одновременно можно чистить зубы и обдумывать дела на день, ведя машину — разговаривать. Это обеспечивает матрица «стандартов», которая может быть очень жестко прошита и быть сиюминутной — как в случае с двигателем: вы его не слышите, считая это нормальным, и т. д.

Детектор ошибок — механизм, который реагирует на рассогласование реальной деятельности с ее моделью: поднимается «флажок» — ошибка. Это базовый механизм мозга, который, как установили недавно, работает, даже если больной находится в состоянии комы. Он действует независимо от нашего сознания. Если этот механизм ломается, то с мозгом происходят достаточно серьезные расстройства, так как он контролирует почти все виды деятельности.

Значение своего открытия НП осознала сразу — и в этом ее главная отличительная черта как ученого: не просто регистрировать новые данные, но пытаться дать им объяснение и определить их значение. Другие исследователи обратили внимание на детектор ошибок лишь спустя четверть века. С начала девяностых годов количество публикаций на эту тему растет лавинообразно. Это понятно, потому что в начале девяностых появилась техника, с помощью которой стало возможно исследовать эти процессы с небольшими затратами и сложностями. И, как это всегда бывает, за рубежом не только не ссылались на нас, но и объявили себя первооткрывателями. Несмотря на то что НП многократно описала этот механизм, причем в англоязычной литературе. Интересно, что западные исследователи (со многими она была знакома) спрашивали НП об этом явлении, поэтому трудно себе представить, что они по незнанию приписали себе приоритет. Какой же ценности должно быть открытие, если ради него идут на открытый грабеж!

Третья концепция НП, выдвинутая приблизительно в то же время, — очень красивая теория об обеспечении различных видов деятельности мозговой системой со звеньями различной степени жесткости. Суть ее в том, что для обеспечения деятельности в мозгу образуется система из нервных клеток. С одной стороны, это утверждение сейчас кажется почти очевидным. Но в то время еще не до конца был решен спор между локализационистами, полагавшими, что в мозгу существуют специализированные области-центры и один отвечает за речь, другой за внимание и т. д., и холистами, считавшими, что деятельность обеспечивает весь мозг. Веские аргументы были и у тех, и у других. И все-таки уже начало появляться мнение, что, скорее всего, это действительно система, но представление о ее свойствах было очень туманным. Настолько, что многие ученые, едва заслышав в докладах слово «система», просто переставали слушать, полагая, что дальше последуют спекулятивные утверждения.

Наталья Петровна впервые заявила, что в системе есть звенья различной степени жесткости. Жесткие (меньшинство) — это костяк, который всегда принимает участие в работе при обеспечении конкретного действия. Это как постоянная команда. И при необходимости обеспечить это действие такой костяк набирает для работы все нервные клетки, которые в данный момент свободны от обеспечения других видов деятельности. Причем, как было показано позднее, эта система нестабильна. То есть при каждом выполнении одного и того же задания она меняется. Жесткие звенья остаются, а гибкие могут быть уже другими, расположенными в других участках мозга.

Значение этого открытия очень велико. Оно концептуально. Оно объяснило многие противоречия между холистами и локализационистами. Стала понятна причина изменчивости, нестабильности многих результатов.

Следует упомянуть и о том, что сейчас в принципе также кажется почти очевидным: о комплексном методе исследования мозга. В монографии 1971 года «Нейрофизиологические аспекты психологической деятельности человека» НП пишет: «...Комплексный метод включает в себя, с одной стороны, исследование влияния локальных электрических воздействий на текущую и заданную эмоционально-психическую деятельность и, с другой стороны, анализ локальной динамики многих физиологических показателей состояния мозга при эмоциогенных и психологических тестах. С помощью указанного метода оказалось осуществимым, меняя условия наблюдения, вводя и исключая различные факторы внешней и внутренней среды, изучать, как, за счет каких сдвигов и в каких структурах мозга решается любая реализуемая мозгом психологическая задача».

Казалось бы, что тут такого: просто регистрируй все что можешь. Это не совсем так, точнее, совсем не так. Для того чтобы из купленных в магазине запчастей построить автомобиль, надо знать очень многое. Комплексный метод — это не только все регистрировать, но и иметь представление о том, как это взаимосвязано. О взаимодействии мозговых систем. Сейчас эти представления есть, поэтому комплексный метод воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Тогда это было не так. Более того, можно сказать, что эти представления и появились благодаря комплексному методу.

Еще одной причиной было отсутствие приборов. Каждый из них регистрировал только один показатель: или ЭЭГ, или нейронную активность. Выполняя поставленную НП задачу, сотрудники отдела С. Г. Данько и Ю. Л. Каминский разработали полиэлектронейрограф — прибор, позволяющий одновременно, с одних и тех же электродов регистрировать различные виды биоэлектрической активности. Технически такой прибор было не очень сложно создать, но надо было поставить осмысленную задачу, зачем все это нужно и что с этими данными делать. Кроме того, были определенные психологические шоры. Исследователь, занимавшийся анализом ЭЭГ, не очень интересовался, что там получено с анализом импульсной активности нейронов. Ему хватало задач внутри его малого научного круга. Надо было преодолеть этот барьер.

Сейчас именно такой подход поставлен во главу угла. Например, Совет по науке северных стран (Скандинавия, Дания, Эстония и др.) дал грант и присвоил звание центра совершенства (center of excellence) группе лабораторий из этих стран, в том числе и нашему институту, для решения задачи когнитивного контроля. Определяющим стало такое построение исследований, при котором мы выработали общую стратегию исследования, но каждый выполняет свою часть работы: мы — ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография. — Примеч. ред.), в Бергене — функциональную магниторезонансную томографию, в Хельсинки — магнитоэнцефалографию. Это прямое применение комплексного подхода, разработанного НП.

Хочу подчеркнуть: эти концепции были сформулированы не сейчас, когда накоплена огромная база данных, когда у нас в руках разнообразные методы картирования мозга. Образно говоря, сейчас открыть периодический закон Менделеева проще простого. Открыты все элементы, вычислены их атомные веса, известна квантовая структура атома. Но во время Дмитрия Ивановича Менделеева имелся минимум противоречивой, иногда ошибочной информации. Именно в таком положении была и НП.