?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

neurosynth — новая автоматизированная база данных по исследованиям функциональной нейровизуализации головного мозга. Вполне вероятно, что это предложение покажется вам мелко накрошенным словесным винегретом, но я попробую коротко объяснить основные принципы, не вдаваясь глубоко в детали.

Прежде всего, что такое функциональная нейровизуализация? В последние годы все исследователям делаются более и более доступны функциональные магниторезонансные томографы для исследований мозга. Томография — математический метод, позволяющий восстанавливать объемную картину исследуемого предмета по сигналам, измеряемым на его поверхности (или вблизи ее, как в нашем случае). Например, рентген просвечивает тело человека насквозь и создает рентгеновский снимок, картину из темных и светлых областей. Если же сделать несколько снимков вкруговую, поворачивая аппарат вокруг тела на определенный угол, то с помощью томографических методов можно построить картину рентгеновских плотностей в объеме тела. Именно так работает рентгеновский томограф. Магниторезонансная томография (МРТ) применяет иной физический принцип, в отличие от рентгеновской, не пользуется ионизирующими излучениями и, как сейчас полагают, не причиняет никакого вреда предмету исследования. Поэтому она чаще всего и применяется в исследовательских целях. Не буду вдаваться в физический принцип работы МРТ; скажу лишь, что восстановленная компьютером трехмерная модель мозга состоит из кубиков, аналогичных пикселам на экране, только объемных (они называются вокселами), а что именно физически измеряется и какой «цвет» приписывается в этой объемной картине каждому вокселу, зависит от настройки аппарата и его математической модели.

Теперь подберемся к функциональной МРТ (ФМРТ). Этот метод позволяет наблюдать (очень грубо говоря) суммарный уровень потребления кислорода из крови. Когда нейроны в некотором объеме мозга активны, то есть получают и передают возбуждение и стреляют по много раз в секунду, они расходуют энергию и требуют питательных веществ: глюкозы и кислорода. Обычно аппарат ФМРТ снимает один объемный «кадр» кислородного изображения мозга в несколько секунд. Если за это время нейроны в пределах воксела активизировались, то потребление кислорода в нем вырастает, и воксел получает более высокое значение активации. В программах для показа трехмерных моделей используют различные шкалы окраски активации, чтобы сделать интересующий исследователя аспект изучаемых данных более наглядным.

Итак, в двух словах, ФМРТ строит объемную картину мозга, в которой активные в момент съемки вокселы подсвечены или закрашены. Типичный размер воксела в ФМРТ — кубик 2×2×2 мм.

Результатов исследований, производимых при помощи ФМРТ, публикуется тысячи. В одних исследованиях испытуемым даются стимулы — тактильные, тепловые, речевые или визуальные; в других они выполняют разные задания — мысленно двигают рукой, молятся, поют или думают о зеленой обезьяне. Необработанным, сырым результатом каждого такого исследования, грубо говоря, является описание экспериментального воздействия на испытуемого или его задания вкупе с данными о том, какие объемные области мозга при этом испытывали активацию, и насколько она была сильна. Эти данные публикуются.

Для анализа этой массы информации служат нейровизуализационные базы данных, в которых собираются результаты десятков тысяч экспериментов. neurosynth — экспериментальная база данных, в которую информация собирается поисковым роботом полностью автоматически. Робот читает все новые статьи, находит в них важные (по его, робота, мнению) ключевые слова, и связывает с ними набор данных из этой статьи. Когда информация окажется в базе, ее можно проанализировать в виде таблиц и изображений.

Очень кратко говоря (а полную информацию можно прочитать в описании на английском языке), можно получить ответы на такие интересные вопросы: если в исследовании говорится о производстве речи, какова вероятность того, что о данном вокселе сообщается, что он был активирован? Или наоборот: если данный воксел активирован, какова вероятность, что в исследовании упоминается, например, амигдала? Если данный воксел активирован в некоем исследовании, какова вероятность для каждого другого воксела, что он тоже будет активирован? Таким образом, можно получить многие возможные соотношения между точками активации и темами и предметами исследования.

Давайте решим с помощью этого атласа одну практическую задачу. Допустим, мы с вами прочитали в газете о том, как британские ученые установили с помощью ФМРТ, будто владельцы «Айфонов» испытывают к своим игрушкам настоящую любовь и нежность (пример из недавней публикации в крупной газете, между прочим!). Как объясняется, «потрясающим результатом эксперимента является сильная активация в островковой доле (cortex insularis), которая ассоциируется с чувствами любви и сострадания». С результатом эксперимента мы спорить, конечно, не будем, но задумаемся над его интерпретацией: насколько высока селективность наблюдаемой активации в островке? Однозначно ли она указывает на то, что подопытный испытывает любовь или сострадание, или же эта область активируется и от иных причин?

Сперва, конечно, нам надо вспомнить, где находится в мозге cortex insularis. Здесь нам поможет «Википедия» с литографиями из атласа Грея: на этом корональном сечении видно, что островковая кора (надпись Insula) находится на дне самой глубокой борозды, называемой sulcus lateralis cerebri. Этот хорошо заметный треугольник будет легко найти на томограмме.

Затем перейдите на сайт http://neurosynth.org/ и выберите из меню Images/Term-based maps. В поле ввода наберите insula, нажмите ввод, и вы окажетесь на этой странице, где показана суммарная активация мозга из тех многих исследований, где слово insula является ключевым. Выберите Reverse Inference в меню Image Type, и подвигайте рукоятки осей x, y и z. Самая яркая область будет там, где insula упоминается чаще всего. Координаты интересующей нас точки (-40; +8; 4). Наведитесь на эту точку и уведите левую ручку правого ползунка Thresholds вправо: подсветка пропадет, и вы увидите, что перекрестие находится примерно в середине островковой коры, той самой анатомической структуры, что мы ищем. Эта точка не совсем совпадает с максимумом активации (я наводился на нее без подсказки), но вы можете выбрать и максимум по ключевым исследованиям — на результате это не скажется. Правда, важно, что я выбрал точку в левом полушарии, потому что оно связано с речью.

Теперь, когда вы навелись на интересующую нас структуру, кликните на View details for this location, чтобы открыть таблицу ключевых слов для этого места. Упорядочите таблицу по убыванию апостериорной вероятности упоминания слова, и посмотрите на слова с вероятностью 0,7 и выше. Вы обнаружите здесь ключевые слова, связанные с тактильными и болевыми ощущениями, с ощущением температуры, с грамматикой и производством речи. Аффекты тоже, конечно, тоже будут упомянуты, но сразу очевидно, насколько островковая кора неселективна в отношении аффектов привязанности — она реагирует на огромное множество стимулов! Разумеется, «Айфон» держали в руках — это ощущение температуры и прикосновения, а грамматическая область не могла не активироваться при виде текста. Можете это проверить: подберите подходящие ключевые слова, например, reading, и посмотрите, что делается с островковой корой.

Так что, как мы видим, приведенная в статье интерпретация эксперимента совершенно неграмотна. Для сравнения выберите координаты миндалевидного тела (±20; -4; 20), и увидите, что они ассоциированы с первичными эмоциями — страх, гнев, тревога, и с соответствующим им поведением; ни грамматики, ни чтения там и близко упомянуто не будет. Как хорошо известно, миндалина ассоциируется в первую очередь именно с упомянутыми эмоциями.

__________________________________
Yarkoni, T., Poldrack, R. A., Nichols, T. E., Van Essen, D. C., & Wager. T. D. (in press). Large-scale automated synthesis of human functional neuroimaging data. Nature Methods.

Tags:

Comments

( 37 comments — Leave a comment )
partr
Oct. 11th, 2011 09:30 am (UTC)
для чистоты эксперимента надо б дать испытуемому блэкберри (разумею, тому, кто подсел на айфон). и сделать подобный эксперимент для того, кто привязан к блэкберри.
fregimus
Oct. 11th, 2011 09:46 am (UTC)
Там 8 субъектов было. Смех.
(no subject) - partr - Oct. 11th, 2011 09:52 am (UTC) - Expand
(no subject) - fregimus - Oct. 11th, 2011 10:04 am (UTC) - Expand
строго говоря - vvalex - Oct. 11th, 2011 10:16 am (UTC) - Expand
(no subject) - partr - Oct. 11th, 2011 10:17 am (UTC) - Expand
(no subject) - fregimus - Oct. 11th, 2011 11:33 am (UTC) - Expand
(no subject) - partr - Oct. 11th, 2011 12:08 pm (UTC) - Expand
(no subject) - fregimus - Oct. 11th, 2011 12:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - partr - Oct. 11th, 2011 12:44 pm (UTC) - Expand
пока не накостыляли - vvalex - Oct. 11th, 2011 05:44 pm (UTC) - Expand
vvalex
Oct. 11th, 2011 10:06 am (UTC)
потому-то
сейчас такое пристальное внимание к миндалевидному телу.
Re: потому-то - vvalex - Oct. 11th, 2011 02:22 pm (UTC) - Expand
catta
Oct. 11th, 2011 10:52 am (UTC)
Спасибо, очень полезная штука.
fregimus
Oct. 11th, 2011 11:37 am (UTC)
Ага, великолепная задумка. В отличие от brainmap, ничего руками не вводят, а научили робота статьи читать. И интерфейс роскошный сделали, очень удобно.
fandaal
Oct. 11th, 2011 11:01 am (UTC)
отличная затея
fregimus
Oct. 11th, 2011 11:42 am (UTC)
Да, роскошный пример того, как правильно использовать дурную мощь современных компьютеров.
cobetbi
Oct. 11th, 2011 12:17 pm (UTC)
Да, прикольно. Вроде почти всё правильно. Покрутил несколько слов, что на ум пришло - воис, визион, фэйс. А вот набрал "финкинг", и чото совсем как-то не так. Почему-то говорит, что финкинг происходит где-то сзади. А наукой давно выяснено что весь финкинг происходит в лобных частях.
cobetbi
Oct. 11th, 2011 12:26 pm (UTC)
Да и калькуляция чуть-чуть назад сдвинута. Там, вроде более размытые вещи происходят. Калькуляции вроде должны в самом лбу происходить.
fregimus
Oct. 11th, 2011 05:24 pm (UTC)
Дело в том, что у девяти из десяти гомосапиенсов финкинг в жизни ни разу не случается. Когда им говорят, например, подумать о чем-нибудь приятном, они рисуют перед глазами картину вчерашнего шашлыка с пивом перед телевизором. А неприятного — как им позавчера набили морду. И так далее. Удивительно ли, что при этом активизируются одни зрительные центры?

На самом деле, такой процесс, как «думание», конечно, никто не изучает в таком виде. Слишком неспецифично — там весь мозг «сверкает», включая и моторные центры. Посмотрите более простые задачи, например, arithmetics, decision making и прочая. А на какие компоненты делить этот самый финкинг — никто ж и близко не знает.
(no subject) - cobetbi - Oct. 11th, 2011 07:57 pm (UTC) - Expand
(no subject) - fregimus - Oct. 11th, 2011 10:36 pm (UTC) - Expand
(no subject) - cobetbi - Oct. 11th, 2011 11:28 pm (UTC) - Expand
(no subject) - cobetbi - Oct. 11th, 2011 08:15 pm (UTC) - Expand
cynical_sceptic
Oct. 11th, 2011 12:43 pm (UTC)
Ох, как же это круто. Спасибо!
janatem
Oct. 11th, 2011 04:56 pm (UTC)
Мне интересно следующее:
1. Сколь мелкими могут быть воксели? Мне кажется, что было бы полезно иметь воксель размером порядка нейрона, пусть даже при этом сканируется лишь маленький участок мозга.

2. А вообще, не странная ли это затея таким грубым образом исследовать мозг? Представьте себе, что мы то же самое делаем с компьютером и пытаемся понять, как он работает. Скорее всего, понять в том смысле, в котором понимают железячники или программисты, не получится. Гораздо больше бы дало изучение графа связей элементов, хотя бы в сравнительно небольшой области. Я не знаю, дают ли существующие технологии такую возможность, но стоило бы копать в этом направлении.
cobetbi
Oct. 11th, 2011 08:41 pm (UTC)
Ну почему. Это офигенно полезно было бы, если б вообще не представляли как работает компьютер. Включить игрушку - одна часть нагревается, включить музыку - второая, вычисления - третья, вычисления с действительными числами - четвёртая, работа с кучей разных данных - пятая. Узнали бы сразу, что компьютер - это не таинственный дух в коробке, а машина из частей (по порядку): видеокарта, звуковуха, процессор, сопроцессор, диск. И могли бы их даже с конкретными частями отождествлять. Это уже сразу много возможностей даёт. Например, знали бы, что если звуковую карточку достать, всё будет работать, только звука не будет.

С компьютером наоборот очень полезный подход был бы. Мозг совсем по другому устроен. Там все "платы" одинаково устроены, и для видео, и для звука, для всего... Они даже взаимозаменяемы. И границ между ними нет, все слиты в единую "микросхему". Но всё равно интересно и полезно.

Тут наоборот всё происходило (касательно примера с извлечением звуковухи). Задолго до томографии области были известны. Тут войны ещё большую роль сыграли. Ранения в затылок приводят к потере зрения. Ранения мозжечка к потере координации движений. Даже с большой детальностью разобрались. Ранения в одну область височных и лобных долей - потеря одних аспектов речи, в другую соседнюю - других. Кто-то не мог говорить членораздельно. Кто-то писать разучился. Кто-то мог говорить чётко слова, но составлял их в странные последовательности...
(no subject) - janatem - Oct. 12th, 2011 12:47 pm (UTC) - Expand
(no subject) - cobetbi - Oct. 12th, 2011 01:59 pm (UTC) - Expand
(no subject) - fregimus - Oct. 11th, 2011 10:25 pm (UTC) - Expand
(no subject) - janatem - Oct. 12th, 2011 12:57 pm (UTC) - Expand
bekabaka
Oct. 11th, 2011 11:40 pm (UTC)
Как прямо-таки вовремя. Буквально сегодня мне сбросили шесть дисков этих томограмм, которые теперь я должен рассортировать по разным типам отклонений. Не я, конечно, а моя автоматика, так что эксперименту по идее только на пользу, что для меня эти картинки по информативности примерно как пятна Роршаха =) Постараюсь не подглядывать до конца обработки.
( 37 comments — Leave a comment )