Математикой Виталий ВОЛЬПЕРТ увлекся еще в детстве, потом изучал ее на механико-математическом факультете Ростовского госуниверситета, а в математическое моделирование погрузился в Черноголовке, в Институте химической физики. Последние лет 30 доктор физико-математических наук Виталий Айзикович Вольперт работает в Национальном центре по научным исследованиям во Франции (CNRS — французский аналог РАН), параллельно трудится в Университете Лиона и заведует центром «Математическое моделирование в биомедицине» московского РУДН. В активе ученого около 400 научных статей и четыре монографии.
— В моих исследованиях математика всегда соседствует с другими областями знания. В Черноголовке это были физика и химия, затем к ним добавились биология и медицина, а в последние несколько лет увлекся моделированием в нейробиологии — одним из самых сложных и интересных научных направлений.
— Как математик строит модели, касающиеся работы мозга, если даже нейрофизиологам далеко не все о нем известно?
— Трудный и интересный вопрос, как построить математическую модель процесса, стоит передо мной все 40 лет моей научной карьеры. Главная сложность при изучении физиологических процессов в том, что наши знания о них неполны. Они не протекают одинаково у разных людей или даже у одного человека в различных условиях. В них участвует огромное количество веществ и факторов (гены, белки и т. д.), так что все учесть просто невозможно. Приходится прибегать к упрощениям, выдвигать предположения, основанные на знаниях, а также опыте и интуиции. А «кирпичики», на которые опирается искусство математического моделирования, — уже известные нам законы и действия.
Нейробиологией заинтересовался года четыре назад, когда ко мне обратились французские коллеги с предложением заняться математическим моделированием электростимуляции коры головного мозга, чтобы помочь восстановить нарушения речи (афазия) у пациентов после инсульта. В этом крупном проекте участвуют специалисты разных дисциплин и различные организации, включая университеты, госпитали, частные компании, ассоциации пациентов.
— И как далеко вы продвинулись?
— Сначала немного о работе мозга человека. Напомню: он содержит около 100 миллиардов нейронов и огромное количество связей между ними, различные клетки и вещества, кровеносные сосуды и др. В классическом нейробиологическом эксперименте пациенту показывают картинку, и он должен сказать, что на ней изображено. А возникшие в мозге в результате нашей активности электрические колебания регистрирует электроэнцефалограмма (ЭГ), для чего на голове больного укрепляют электроды. И за одну-две секунды, пока человек ищет ответ, в мозге происходят сложные процессы, активируются соответствующие его участки, которые обмениваются информацией. В нейробиологии это называется коннектом, когда определенные ключевые участки мозга, часто их именуют эпицентрами, получают, обрабатывают и передают информацию дальше. Когда мы говорим, обычно бывают задействованы восемь-десять таких эпицентров, причем их расположение и связь между ними индивидуальны для каждого человека. Так, любое наше действие регулиpуeтся распределительной функцией мозга, а не отдельными его областями, как думали раньше. Еще в конце XIX века считалось, например, что есть области мозга, ответственные за дружбу, любовь или самоуважение.
При инсульте часть ткани мозга оказывается поврежденной, и связь между различными участками нейронов прерывается. Это приводит к нарушению определенных функций, в частности, речи. Человек не может произнести знакомое слово или воспроизводит его с задержкой, или даже вынужден заменить другим (говорит, скажем, «гав-гав» вместо «собака»). Данные ЭГ показывают, что частотные, пространственные и временные характеристики колебаний в головном мозге при этом изменяются. Таким образом, можно попытаться установить некие количественные показатели, определяющие афазию для данного пациента, и постараться на них воздействовать.
Сегодня мы умеем моделировать волны в коре головного мозга, но не представляем, как они, например, связаны с речью. Ответ на этот вопрос и есть главное направление наших исследований.
— И что дальше?
— Располагая данными ЭГ для здоровых людей и пациентов после инсульта и моделируя их, мы устанавливаем отличия между ними и благодаря этому понимаем, как воздействовать на больного, чтобы уменьшить последствия инсульта с помощью электростимуляции головного мозга. Но отдаем себе отчет, что никакая стимуляция не восстановит мертвую ткань. Однако мозг человека обладает большой пластичностью и может компенсировать или перераспределить свои функции с поврежденных областей на неповрежденные.
— Какую роль здесь играет математическое моделирование?
— Его цель — определить, каким образом электростимуляция коры головного мозга может повлиять на пространственно-временное распределение электрического потенциала и что нужно сделать, чтобы уменьшить последствия инсульта. Замечу, что электрическая стимуляция коры головного мозга уже применяется к пациентaм после инсульта и дает некоторый положительный эффект. Однако используемые методы не учитывают индивидуальные особенности пациентов, но мы знаем, что коннект, распространение волн и другие характеристики речи во многом индивидуальны. Поэтому цель наших работ — closed loop modelling based stimulation, то есть стимуляция, основанная на получаемых в реальное время данных и моделировании с их использованием.
— Когда может начаться применение индивидуального метода стимулирования мозга?
— Это очень перспективная область исследования, по всему миру ей занимается множество научных групп. Подобные научные подходы начинают применять для лечения депрессии, улучшения памяти, для ранней диагностики заболевания Альцгеймера и др. Судя по тому, как развиваются эти работы, в ближайшие годы можно ожидать прорыв в области изучения мозга и лечении различных заболеваний.
Юрий ДРИЗЕ
Нет комментариев