Ученые смоделировали разрушение человеческого мозга при семантической деменции

Ученые смоделировали разрушение человеческого мозга при семантической деменции

И увидели, в какой последовательности утрачиваются языковые навыки

Международный коллектив исследователей при участии нейроученых из НИУ ВШЭ создал вычислительную модель, имитирующую семантическую деменцию — тяжелое нейродегенеративное заболевание, при котором человек постепенно утрачивает способность понимать смысл слов. Нейронная сеть моделирует процессы именно в тех областях мозга, которые наиболее важны для языковой функции. Она показывает, что мозг больных сначала забывает смысл слов, обозначающих предметы, а затем обозначающих действия. Разрушения в белом веществе более пагубны для речи, чем разрушения в сером. Результаты исследования опубликованы в Scientific Reports.

Фото: Дмитрий Лебедев, Коммерсантъ

Мы понимаем смысл сказанного благодаря тому, что наш мозг умеет кодировать, хранить и использовать семантическую информацию, то есть знания о предметах, явлениях, действиях и содержании разнообразных понятий, которые мы приобретаем в течение жизни. Именно понимание значений слов позволяет человеку взаимодействовать с окружающим миром: общаться с другими людьми, выражать свои мысли, полноценно функционировать в обществе.

Поэтому любые нарушения этой способности приводят к очень тяжелым последствиям. При семантической деменции — тяжелом неврологическом заболевании — человек постепенно утрачивает способность понимать обращенную к нему речь, забывает слова и их смысл. Например, он говорит, что сидит «на этой штуке» (слово «стул» выпадает из его семантической системы), перестает понимать, чем различаются, например, собака и кошка, хотя и может без проблем механически повторить сами эти слова вслед за кем-то. Вопрос о том, как именно работает семантическая система мозга человека с нейрональной точки зрения и что происходит с ней при таких тяжелых нарушениях, остается открытым. Известно, что в процессах, связанных с кодированием и хранением значений слов, участвуют как минимум лобная, височная и затылочная доли коры головного мозга в основном в левом полушарии.

Чтобы научиться помогать страдающим семантической деменцией, а в перспективе и предотвращать ее тяжелое течение, нужно понимать природу заболевания и его нейрональные механизмы. В отсутствие живых биологических моделей (ведь речь — уникальная человеческая способность) одним из наиболее объективных подходов к изучению мозговых процессов в контролируемых экспериментальных условиях является их нейрокомпьютерное моделирование.

Исследователи из НИУ ВШЭ совместно с международным коллективом ученых создали компьютерную модель мозга, которая максимально точно имитирует языковую функцию, исходя из биологического представления о том, какие зоны мозга участвуют в языковых процессах и как они связаны между собой. Модель научили узнавать и понимать различные слова, а затем на ней стали имитировать различные повреждения мозговых тканей, чтобы посмотреть, что происходит с мозгом при развитии семантической деменции, столь разрушительной для речи и интеллекта.

«Мы впервые смоделировали семантическую деменцию при помощи реалистичной компьютерной модели речевой функции. Изучать развитие заболевания на реальных пациентах не всегда представляется возможным: во-первых, есть этические ограничения, а во-вторых, сложно провести чистый эксперимент, ведь мы не можем контролировать болезнь — у каждого пациента она протекает по-своему. Да и у каждого здорового человека есть свои индивидуальные особенности. Мы создали модель нейрональных сетей человека и их активности и сделали ее максимально приближенной к работе мозга при реализации языковой функции. Безусловно, любая модель — это упрощение, но оно так же необходимо, как, например, карта, которая дает нам упрощенное схематичное представление об окружающей местности»,— сказал Юрий Штыров, первый автор исследования, ведущий научный сотрудник Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ.

Чтобы понять, что происходит на разных этапах заболевания, модели наносили «травмы» различной степени тяжести: сначала повредили слегка, имитируя раннюю стадию деменции, затем чуть сильнее и в конце концов очень сильно, таким образом все более разрушая «ткани» программно моделируемых областей мозга. При этом эксперимент запускали в двух вариантах, имитируя повреждения в сером и в белом веществе.

Результаты эксперимента подтвердили данные клинических исследований о том, что при семантической деменции происходит деградация тканей в различных областях мозга, причем не только в зонах, ключевых для понимания речи, но и в тех, которые отвечают за двигательную активность и восприятие объектов. Модель показала, что разрушения могут затрагивать как серое вещество, так и проводящие пути, причем в последнем случае это приводит к более серьезным проблемам. Кроме того, репрезентации (следы памяти) слов разного типа, обозначающих предметы, действия или абстрактные понятия, страдают по-разному.

«Пока мы не знаем, когда и где точно начинается деменция, ведь за счет имеющегося у человека когнитивного резерва физические нарушения мозга могут долго оставаться незамеченными. Однако мы увидели, что более серьезные нарушения происходят именно при повреждении связей между различными участками мозга. А кроме того, мы убедились, что слова, связанные с объектами, то есть существительные, выпадают из лексикона быстрее, чем обозначающие действия, то есть глаголы. Эти результаты подсказывают нам, в какую сторону смотреть при работе с пациентами, чтобы сделать шаг в направлении лучшей диагностики и лечения семантической деменции»,— добавил автор исследования.

Подготовлено при поддержке ВШЭ