Сейчас мы знаем, как различные части мозга взаимодействуют друг с другом и формируют нервные сети, которые все время соединяются и распадаются. Это значит, что почти невозможно установить прямую связь между конкретной структурой мозга и конкретной функцией. То, что отдельный навык или элемент поведения утрачивается в результате повреждения, не означает, что поврежденная часть мозга единолично контролирует утраченную функцию. К несчастью для нейробиологов (но к счастью для нас, обладателей мозга), не существует аккуратных и однозначных отношений между одним навыком и одной определенной частью мозга.

Чтобы лучше понять, как мозг реализует разное поведение, нам нужно получить доступ к здоровому мозгу и оценить, что в нем происходит в реальном времени, когда его владелец выполняет интересующее нас задание. Деятельность мозга состоит из смеси электрических и химических процессов внутри нервных клеток и между ними. У животных или во время хирургических операций на открытом мозге человека мы можем это наблюдать на уровне отдельной клетки. Но в тех исследованиях когнитивной нейробиологии, о которых мы будем говорить в этой книге, активность клеток измеряется снаружи головы. Как правило, измеряются колебания электрической активности клеток, из которых состоят нервные пути мозга, слабых магнитных полей, связанных с этими электрическими токами, или характеристик кровотока в активной части мозга. Развитие методик, которые улавливают слабые биологические сигналы, стало основой современных систем визуализации работы мозга.

Первый прорыв в измерении активности мозга произошел в 1924 году, когда немецкий психиатр Ханс Бергер придумал прикреплять к черепу маленькие металлические диски. Он обнаружил закономерности в электрической активности, которая изменялась в зависимости от состояния пациента: был ли он расслаблен, сосредоточен или выполнял конкретное задание^>34. Бергер показал, что сигнал, который он улавливал, имел разные частоты и амплитуды в зависимости от того, из какой части мозга он приходил и чем в это время занимался пациент. Так, альфа-волна становилась наиболее заметной, когда люди бодрствовали и были на чем-то сосредоточены, а медленная и крупная дельта-волна становилась отчетливой, когда пациенты спали. Бергер назвал свое изобретение «электроэнцефалограммой».

Электроэнцефалография, или ЭЭГ, – это старейшая методика визуализации активности человеческого мозга, и именно она лежит в основе всех базовых знаний о визуализации мозга в принципе. В 1932 году была изобретена многоканальная записывающая машина, и это означало, что выход электродов, закрепленных на различных частях черепа, можно преобразовать в движущиеся пометки на рулоне бумаги и исследовать изменения этих сигналов, связанные, например, со вспышками света или включаемыми звуками^>35. Эти изменения можно располагать на графиках с миллисекундными временными шкалами, что позволяет довольно точно измерять скорость, с которой происходят события в мозге. Но поскольку электрические сигналы искажаются при прохождении через ткани мозга, мозговые оболочки и кости черепа, ученые не всегда могли получить достоверную картину локализации изменений сигнала.

ЭЭГ оставалась основным источником информации об активности мозга здорового человека до 1970-х годов, когда была разработана позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Этот метод визуализации был основан на одном физическом явлении: когда активность конкретной части мозга увеличивается, кровоток в этой части усиливается. Согласно методике ПЭТ, в кровеносную систему вводят небольшое количество радиоактивного индикатора, который показывает количество глюкозы, поглощенной из крови различными частями мозга. Это и есть показатель величины активности, происходящей в этой области