Poprzedni rozdział | Wstęp do kognitywistyki - spis treści.

1. Metody badania aktywności mózgu | 2. Budowa układu nerwowego - pierwszy rzut oka | 3. Ogólne funkcje mózgu i Urojeniowe zespoły błędnej identyfikacji | 4. Pień mózgu: homeostaza, ogólna regulacja organizmu | 5. Wzgórze

B4. Funkcjonalna budowa mózgu.

B4.1. Metody badania aktywności mózgu

Skąd wiemy jak jest zbudowany i jak działa mózg?

Kontrolowane uszkodzenia mózgu możliwe są tylko w badaniach na zwierzętach, i pozwalają na analizę tylko prostych zachowań. Już w papirusie egipskim sprzed 5000 tysięcy lat opisano efekty uszkodzenia mózgu na częściowy paraliż ciała. Wieki później w Grecji Hipokrates zauważył, że uszkodzenia jednej strony mózgu prowadzą do problemów po przeciwnej stronie ciała. Jednakże Egipcjanie jak i Grecy uznali serce za najważniejszy narząd odpowiedzialny za mentalne funkcje.
Hitzing i Fritsch, koniec XIX wieku stymulowali elektrycznie mózgi zwierząt. Neurochirurgia zaczęła się około 1935 roku od lobotmii przedczołowej, przecinania połączeń pomiędzy wzgórzem i podwzgórzem a płatami czołowymi u osób z bardzo różnymi zaburzeniami psychicznymi, od schizofrenii po depresję. Antonio Moniz dostał za to nagrodę Nobla (1949), ale później okazało się, że taka procedura ma poważne skutki uboczne.
Operacje u pacjentów cierpiących na padaczkę: mapy Wilreda Penfielda z lat 1950.

Rozwój nie-inwazyjnych technik badania mózgu w ostatnich latach jest bardzo szybki. Początkowo była tylko elektoencefalografia, EEG.
Pierwsze próby badania elektrycznej aktywności mózgu robiono już w 19 wieku. W 1890 roku Adolf Beck pracujący na Uniwersytecie Jagiellońskim badał lokalizację funkcji mózgu stymulując prądem różne obszary i zarejestrował zapis EEG, który nazwał "aktywnym prądem niezależnym".
Zapis aktywności pojedynczych neuronów pokazuje potencjały czynnościowe, ale wymaga wprowadzenia elektrod do mózgu, co jest procedurą inwazyjną. Można ją stosować w badaniach na zwierzętach, lub w przypadku poważnych chorób mózgu u ludzi.

Pierwsze badania EEG na ludziach przeprowadził Hans Berger, psychiatra z Jeny w 1929 r.

Aparatura EEG i programy do analizy sygnałów EEG są obecnie bardzo zaawansowane. Mamy zarówno proste urządzenia z kilkoma elektrodami, jak i czepki zawierające nawet 512 elektrod.
Zastosowania diagnostyczne EEG pozwalają obecnie wcześnie wykryć głuchotę, skłonności do padaczki, zaburzenia neurologiczne, są stosowane w urządzeniach neurofeedback i interfejsach mózg-komputer.
Mapy aktywności EEG i korelacji pomiędzy elektrodami z różnych obszarów zawiera dużo informacji o aktywności całego mózgu.

Badania potencjałów wywołanych (ERP), czyli uśrednionych sygnałów EEG po wielu próbach.
Charakterystyczne sygnały dla reakcji poznawczych na pierwotny sygnał pojawiają się po 200-300 milisekund (odcinek P200 i P300), wzrost amplitudy proporcjonalny do stymulacji. Reakcja P300, czyli po upływie 300 milisekund zależy od stanu wewnętrznego, jest swojego rodzaju "echem".
Postępy w analizie sygnałów EEG pozwalają obecnie na wykrycie aktywności funkcjonalnej, rozległych sieci podobnie jak za pomocą metod fMRI, oraz przepływu informacji przez mózgi.
Znacznie lepszy sygnał daje wewnątrzczaszkowe EEG, czyli elektrokortykografia (ECoG), mierząca lokalne potencjały sensorami bezpośrednio na powierzchni mózgu. Jest to jednak metoda inwazyjna. Bezpośrednie pomiary aktywności pojedynczych neuronów stosuje się głównie w badaniach nad zwierzętami, lub rzadko w przypadku padaczki u ludzi.

Istnieje obecnie wiele metod obrazowania medycznego.
Jaki jest ich cel? Wbrew powszechnemu mniemaniu nie jest to lokalizacja funkcji, bo sama lokalizacja daje tylko pozory wyjaśnienia i nie jest jednoznaczna, gdyż wiele obszarów mózgu współpracuje ze sobą nad realizacją określonej funkcji, nie zawsze musi to być ta sama kombinacja aktywnych obszarów.
Celem jest zrozumienie architektury funkcjonalnej, mechanizmów wewnętrznych odpowiedzialnych za stany mentalne. To wymaga odniesienia wyników pomiaru do modelu funkcjonalnego mózgu.

MEG, magnetoencefalografia: działa podobnie jak EEG ale wykrywa bardzo słabe pole magnetyczne dzięki nadprzewodzącym sensorom SQUID, wykrywa prądy jonowe w dendrytach neuronów, pozwalają dotrzeć do głębszych źródeł w bruzdach mózgu i komórek piramidalnych mających aksony na powierzchni kory.

Zalety: możliwy jest zapis szybkozmiennych sygnałów nawet powyżej 100 Hz, pochodzących również z głębszych struktur podkorowych, których aktywność trudno jest wykryć za pomocą EEG.
Wady: kosztowna aparatura, wymagająca używania nadprzewodnikowych złączy;
konieczne jest ekranowanie magnetyczne - pola magnetyczne w naturalnym środowisku są nawet 100 mln razy silniejsze niż wytwarzane przez mózg;
interpretacja sygnałów MEG jest trudna (podobnie jak EEG).

Arteriografia lub angiografia: obrazuje żyły i tętnice (nie tylko w mózgu). Po wstrzyknięciu kontrastu (substancji promieniotwórczej o krótkim czasie życia) wykonuje się zdjęcia rentgenowskie. Dopływ krwi ma kluczowe znaczenie w diagnozach udarów niedokrwiennych i wylewów krwi do mózgu. Technika ta stosowana jest w połączeniu z tomografią komputerową w badaniach perfuzji krwi.
Badanie tętnic wieńcowych serca nazywa się koronografią.

Tomografia rentgenowska CAT (osiowa tomografia komputerowa): używa substancji promieniotwórczych (jodu, baru lub innych) do wzmocnienia kontrastu pomiędzy tętnicami, żyłami lub ukrwionymi narządami, można wykryć guzy, dobrze widoczne różnice płyn CSF, kość, tkanka miękka, ale słabo widoczne tkanki. Wiązka krąży wokół głowy, z licznikiem po drugiej stronie.
Jest to dość bezpieczna technika (dawki promieniowania są niewielkie) i tania, dlatego jest szeroko stosowana w badaniach medycznych, do diagnozy uszkodzeń w wyniku udarów mózgu i chorób różnych organów wewnętrznych.

Nowsze wersje to HRCT (High Resolution Computed Tomography), czyli tomografia komputerowa wysokiej rozdzielczości (TKWR), oraz MSCT (Multi-Slice Computed Tomography) lub MDCT (Multi-row-Detector Computed Tomography) – wielorzędowa tomografia komputerowa.

SPECT, Single Photon Emission Computed Tomography, lub scyntygrafia: spektroskopia pojedynczych fotonów z promieniotwórczych jąder ksenonu 133, jodu lub technetu.
Tłumienie zależy od tkanki, przez którą przechodzą fotony, powoduje to słabą rozdzielczość.
Metoda SPECT pozwala wykryć różne substancje, dlatego jest to technika ważna dla medycyny.Pozwala używać związków pochłanianych przez specyficzne struktury mózgu. Wadą jest używanie promieniotwórczych izotopów o krótkim czasie rozpadu.
Rozdzielczość czasowa SPECT jest rzędu 1 min, a przestrzenna kilka cm, więc dosyć niska. Aparatura jest względnie tania i wiele mniejszych klinik może sobie na nią pozwolić, w odróżnieniu od metod opisanych poniżej.
Daniel Amen: The most important lesson from 83000 SPECT scans, twierdzi, że analiza obrazów SPECT pozwala na dokładną diagnostykę, ale nie ma to poparcia w opublikowanych badaniach. Używanie takich metod w praktyce klinicznej do diagnozy chorób psychicznych jest nadal kontrowersyjne.
SPECT znajduje zastosowanie w przypadku zaburzeń neurologicznych takich jak uszkodzenia w wyniku udaru, wstrząsu mózgu, guzów czy niektórych form demencji, gdzie zaburzony jest przepływ krwi (perfuzja).

Pozytonowa tomografia emisyjna (PET): wykrywa wprowadzony do krwi promieniotwórczy znacznik (np. glukoza z węglem 11C) podlegający rozpadowi beta i wysyłający pozytony.
Pozytony anihilują z elektronami dając pary kwantów gamma, wykrywanych przez pary liczników wokół głowy.
Konieczny jest akcelerator do wytwarzania krótkotrwałych substancji promieniotwórczych, 11C, 18F, 15O, 13N.
Umożliwia obrazowanie przepływu krwi na bieżąco, wykrywanie ognisk padaczki, guzów mózgu, bardzo czuły na obecność śladowych ilości wybranych substancji (np. dopaminy).
Eksperymenty psychologiczne - zwiększona praca danego obszaru zwiększa zapotrzebowanie na energię = dopływ krwi.
PET po raz pierwszy pokazał lokalizację wielu funkcji psychicznych, stosowany w medycynie molekularnej.

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), zwany rezonansowym obrazowaniem magnetycznym (MRI).
Anatomiczny MRI: rezonans jąder wodoru, znajdujących się w różnych związkach chemicznych; protony (jądra wodoru) mają spin (kątowy moment pędu), a ponieważ są naładowane mają związany z tym moment magnetyczny. W silnym polu magnetycznym te momenty ustawiają się równolegle do linii tego pola. Krótkie impulsy zmiennego pola elektromagnetycznego o ściśle określonej częstotliwości (w zakresie częstotliwości radiowych) wymuszają chwilowe odwrócenie spinów, a szybkość powrotu do stabilnego stanu początkowego (echo impulsu) zależy od oddziaływania momentów magnetycznych z innymi w danej tkance. Pozwala to określić gęstość atomów protonów w różnych obszarach ciała. Im silniejsze pole magnetyczne tym dokładniejsze pomiary.

Składowa równoległa do kierunku pola magnetycznego wraca średnio po czasie T1 do pierwotnego położenia; dla protonów w płynach mózgu jest to 1500-2000 ms, jeśli dominuje woda to jest to 400-1200 ms, a tłuszcze (biała materia) mają znacznie krótsze czasy relaksacji, ok. 100-150 ms. Obrazy oparte na pomiarach T1 nazywane są T1- zależnymi, tkanka tłuszczowa (aksony, istota biała) są na nich białawe, tkanka neuronowa (istota szara), a płyny (mózgowo-rdzeniowy i inne) ciemne.

Składowe prostopadłe do kierunku pola mają krótsze czasy zaniku nazywane T2, rzędu 700-1200 ms dla płynów, 40-200 ms dla wody, oraz 10-100 ms dla tkanki tłuszczowej. Na obrazach T2-zależnych istota biała jest ciemna, szara jest szara a płyny jasne.
Dla lepszego zróżnicowania obrazu tkanek zawierających wodę stosuje się modyfikację T2, zwaną FLAIR (Fluid Light Attenuation Inversion Recovery), pozwalającą na lepszą ocenę mielinizacji aksonów.
MRI pozwala mierzyć gęstość tkanki osiągając dużą rozdzielczość rzędu 1 mm.
Możliwa jest rekonstrukcja obrazów w różnych przekrojach w trzech wymiarach: poprzecznym, czołowym i strzałkowym.

Przekrój pionowy (coronal), film (tylko lokalnie!).
Przekrój strzałkowy, film (tylko lokalnie!).
Mózg ludzki zeskanowany został w dużej rozdzielczości (ok. 1/4 mm): 7 Tesla MRI Brain Atlas.

fMRI, funkcjonalny MRI: wykorzystuje rezonans z udziałem jąder tlenu, pokazuje sygnał BOLD (Blood Oxygen-Level Dependent), czyli przepływ utlenionej krwi.
Sygnał BOLD jest tylko pośrednio związany z aktywnością neuronów: energia potrzebna do generacji impulsów pochodzi głównie z glukozy, neurony wysyłające wiele impulsów wydzielają kwas glutaminowy, który wpływa na astrocyty zmieniając stężenie jonów wapnia, co prowadzi do wydzielania tlenku azotu wpływającego na rozszerzanie się naczyń krwionośnych i dostarczanie większej ilości krwi, a z nią glukozy i tlenu. Proces ten zachodzi nieco inaczej w różnych obszarach mózgu, jest to więc bardzo pośredni sygnał oceny aktywności neuronów.

Aparatura fMRI jest nieco tańsza od PET, nie wymaga izotopów, wykorzystuje bardzo silne pole magnetyczne rzęu 1.5-7 Tesla. Stosuje się zwykle pole magnetyczne 3 Tesla dla ludzi, co daje rozdzielczość nieco gorszą niż 1 mm, pozwalając na obserwacje aktywności kilkudziesięciu tysięcy neuronów jednocześnie. Skanery 7 Tesla mają magnes o wadze ok. 40 ton.
W kilku miejscach na świecie są skanery 9.4 Tesla, a eksperymentalny skaner budowany przez konsorcjum INUMAC osiągnie 11.75 Tesla (masa urządzenia to 150 ton), pozwalając na rozdzielczość poniżej 0.1 mm. To wystarczy by zaobserwować zmienną aktywność ok. 1000 neuronów i w czasie 100 ms. Najpotężniejszy skaner dla małych zwierząt ma magnes o sile 21 Tesli.

MRS (Magnetic Resonance Spectroscopy) pozwala na pomiar koncentracji różnych pierwiastków.
Jest wiele innych wariantów technik opartych na rezonansie magnetycznym. Inne metody tomograficzne opisane są tu.

Hemoencephalography oparta jest na monitorowaniu mózgu w dalekiej podczerwieni i stosowana głównie do treningu biofeedback.

NIRS (near infrared spectroscopy) polega na obserwacji promieniowania podczerwonego, generowanego przez lasery, które jest absorbowane w różny sposób przez krew utlenioną lub nie, co pozwala na badania funkcjonalne "optycznej topografii" (NIR-OT).
Rozdzielczość czasowa jest rzędu 100 ms, a przestrzenna rzędu 1 cm.

HemoEncefaloGrafia (HEG) to uproszczona wersja NIRS, stosowana w procedurach neurofeedback i monitorowaniu przepływu krwi. Zwykle emitery i sensory podczerwieni umieszczane są w opasce na czole. Pozwala to mierzyć stopień utlenienia krwi. Wersja PIR (Passive Infrared) monitoruje też drobne zmiany temperatury, świadczące o zużyciu cukrów, czyli procesach metabolicznych. Rozdzielczość jest niewielka.

EITER (Electrical Impedance Tomography), to nowa metoda pozwalająca na rozdzielczość czasową rzędu 0.5 milisekundy, mierzy rozkład prądów używając 32 elektrod na czaszce stymulujących mózg za pomocą prądów 1 mA pk-pk przy 10 kHz. Osiąga bardzo dobry stosunek sygnału do szumu ale nadal daleka jest od powszechnej akceptacji.

Obrazowanie fotoakustyczne, oraz multispektralna optoakustyczna tomografia (MSOT), wykorzystuje krótkie (rzędu nanosekund) impulsy lasera do pobudzania tkanek, rejestrując powstające w wyniku termalnej ekspansji fale akustyczne. Można w ten sposób wykrywać różne substancje absorbujące światło lasera o różnej długości, w tym badać przepływ krwi (podobnie jak w fMRI). Ma liczne zastosowania medyczne ale (np. do wykrywania nowotworów) ale na razie nie stosowane do obrazowania ludzkiego mózgu.

Porównanie kilku metod bezinwazyjnego obrazowania pracy mózgu. Podsumowanie metod obserwacji.

Metoda EEG MEG PET fMRI NIRS-OT
Rozdzielczość czasowa 1 msek 1 msek 1 min 1-5 sek 100 msek
Rozdzielczość przestrzenna 1 cm 5 cm 5 mm 1-5 mm 1 cm
Ograniczenia Tylko kora mózgu, trudna interpretacja Słaba rozdzielczość przestrzenna, trudna interpretacja Tylko przepływ krwi, konieczny krótkożyciowy izotop Tylko przepływ krwi, duży hałas Tylko przepływ krwi blisko powierzchni mózgu
Zalety Tania, łatwa Obejmuje głębsze struktury Analiza funkcjonalna, obrazowanie medyczne Analiza funkcjonalna, obrazowanie medyczne Analiza funkcjonalna, duża rozdzielczość czasowa

Przyszłość powinna umożliwić połączenie różnych metod, EEG i MEG z fMRI, większa szybkość i precyzja, lepsze metody analizy sygnałów. Łącząc np. MEG z fMRI można obserwować zlokalizowaną aktywność przy ruchu poszczególnych palców. Niestety taka kombinacja technik jest trudna, łączy skrajnie małe i skrajnie silne pola magnetyczne, rozwija się powoli i jest droga. Jednoczesna rejestracja EEG z fMRI jest nieco łatwiejsza, ale też rzadko stosowana.
Wiele technik obrazowania inwazyjnego stosuje się tylko na zwierzętach, są też specjalne skaner fMRI o dużo silniejszym polu magnetycznym i bardzo wysokiej rozdzielczości.

Czym różnią się informacje z MRI czy PET od tych, które dostarczają pomiary elektrofizjologiczne?
W dłuższych odcinkach czasowych widzimy głównie wewnętrzną dynamikę mózgu (MRI), a w krótszych zaburzenia wynikające z pobudzenia przez zewnętrzne bodźce (M.E. Reichle, Two views of brain function, TICS 855, 2010).

Ciekawe rezultaty wynikające z neuroobrazowania.

Rozwój metod neuroobrazowania umożliwił takie projekty jak Human Connectome Project (HCP), w ramach którego już do 2017 roku wykonano 1200 szczegółowych skanów (techniką 3T lub 7T) anatomicznych i około 100 funkcjonalnych. Udostępnione zostaną też dane genomiczne skanowanych osób. Wszystkie dane są publicznie dostępne a ich wielkość jest rzędu 100 TB. Obecnie jest kilka innych ogromnych zbiorów danych dla ponad 1000 osób.
Metoda Rainbow wykorzystuje białka fluorescencyjne do obserwacji setek typów neuronów i ich połączeń. Ta metoda pozwala na tworzenie szczegółowego konektomu mózgu myszy i muszek owocówek.

Transcranial Magnetic Stimulation (TMS), czyli magnetyczna stymulacja przezczaszkowa, pozwala na selektywną i bezinwazyjną stymulację wybranych obszarów mózgu.
Jest kilka sposobów zastosowania pola magnetycznego: dłuższe impulsy, krótkie powtarzające się impulsy (rTMS), lub salwy krótkich impulsów (50 Hz) modulowane w rytmie teta (4-7 Hz), czyli theta burst stimulation (TBS).
Osiągana precyzja skupienia pola magnetycznego sięga kilku milimetrów.
TMS ma też zastosowania terapeutyczne w depresji, halucynacjach, padaczce.

Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) to stymulacja prądem elektrycznym, znacznie tańsza.
Stymulacje prądem rzędu miliampera przy częstościach 10 kHz trwają zwykle do 20 minut, efekty do godziny, w tym zwiększona plastyczność, a stymulacje wieloma elektrodami wyzwalanie endorfin i poprawę nastroju.
Stymulacja tDCS stosowana jest w leczeniu depresji, PTSD, szumów usznych, padaczki, choroby Parkinsona, migren, zwalczaniu przewlekłego bólu.

Jest wiele innych sposobów neuromodulacji, takich jak pobudzanie nerwu błędnego czy trójdzielnego, albo głęboka stymulacja mózgu na poziomie wzgórza lub pnia mózgu, czy stymulacja nerwów kręgosłupa w terapii bólu. Nie są to jednak metody pozwalające na precyzyjne wnioski na temat sposobu pracy mózgu.

Czy metody neuroobrazowania pozwalają na jednoznaczną diagnozę chorób psychicznych? Eksperymentalne prace pokazały, że porównanie ludzi zdrowych i cierpiących na różne zaburzenia psychiczne pozwala powiązać zmiany przepływu informacji pomiędzy różnymi obszarami mózgu, oceniany za pomocą fMRI, z autyzmem, głęboką depresją czy schizofrenią. Niestety zastosowanie tych metod jest obecnie zbyt trudne by stosować je w praktyce klinicznej. W psychiatrii nie zaleca się jeszcze stosowania metod neuroobrazowania, zwłaszcza tych, które wykorzystują promieniotwórcze znaczniki.

B4.2. Budowa układu nerwowego - pierwszy rzut oka.

W tym wykładzie nie będziemy szczegółowo omawiać neuroanatomii, potrzebne nam to jedynie na tyle, by zrozumieć działanie mózgu jako systemu kontrolnego, pozwalającego organizmom przeżyć we wrogim środowisku.
Nie będziemy też schodzić na poziom mikroskopowy i zajmować się szczegółowo neuronami i ich połączeniami - rekonstrukcja fragmentu mózgu myszy w laboratorium Lichtmana pokazuje, jak skomplikowany jest to system. Nasza strategia będzie nadal oparta na prostych modelach, stopniowo coraz dokładniejszych.
Mózg na różnym poziomie złożoności świetnie opisuje strona "The Brain From Top to Bottom".

System nerwowy daje się podzielić na kilka współpracujących ze sobą (i z resztą organizmu) podsystemów potrzebnych do regulacji podstawowych funkcji życiowych, utrzymywania stabilności, doprowadzania informacji zmysłowych i kontroli mięśni, oraz centralnego kontrolera działającego w oparciu o te informacje.

Autonomiczny układ nerwowy (AUN lub ang. ANS) to część CUN i PUN, której nie kontrolujemy w świadomy sposób.
Jego zadanie to koordynacja funkcji automatycznych: skurczy serca, oddychania, trawienia, wydalania, pocenia się, pobudzenia seksualnego. Otrzymuje sygnały z chemoreceptorów, baroreceptorów, przez nerwy czaszkowe i rdzeniowe, przechodzące przez zwoje rdzeniowe.
Centrum AUN znajduje się w pniu mózgu, koordynacja następuje przy pomocy podwzgórza.

AUN zawiera układ współczulny i przywspółczulny, układy działające antagonistycznie.
Układ współczulny pobudza: rozszerza źrenicę, rozluźnia mięśnie oka, gruczoły ślinowe wytwarzają gęstą ślinę, serce bije szybciej, naczynia wieńcowe się rozszerzają, oskrzela rozkurczają, żołądek hamuje wydzielanie soków, żółć wolniej produkowana, perystaltyka zwalnia, nadnercza uwalniają adrenalinę, skóra się poci, włoski się jeżą, odbyt się kurczy a pęcherz rozluźnia.

Układ przywspółczulny działa odwrotnie.
W sumie AUN pozwala na utrzymanie homeostazy, ale to nie wystarcza by przeżyć.

Czemu kiedy odczuwamy emocje odczuwamy ściskanie w podbrzuszu? W obrębie jamy brzusznej mamy 4 sploty, w szczególności splot trzewny, określany dawniej jako mózg brzuszny. Te sploty zawierają więcej neuronów niż jest ich w rdzeniu kręgowym.
Również w jelitach znajdują się liczne neurony, połączone kilkoma ścieżkami sygnałowymi z autonomicznym systemem nerwowym, oraz podwzgórzem i ciałem migdałowatym. Te połączenia pomagają w utrzymaniu homeostazy w układzie pokarmowym, regulują procesy trawienia, wpływają na nastrój, motywację i funkcje poznawcze (Mayer 2011). Określa się to jako oś jelita-mózg (gut-brain axis).

Podejrzewa się wpływ: mikrobiomu przewodu pokarmowego na regulację serotoniny w mózgu, schizofrenię i chorobę Alzheimera, regulację nastroju, oraz całego metabolizmu i skłonności do otyłości. Wstępne badania (2018) wskazują na możliwości terapeutyczne "psychobiotyków", czyli preparatów prebiotycznych wpływających na florę bakteryjną w przypadkach różnych zaburzeń nastroju i chorób neurodegeneracyjnych.

Neurokardiologia to dziedzina medycyny badająca związki pomiędzy zaburzeniami pracy serca i układem nerwowym. W sercu znajduje się około 100 zwojów (skupisk) po kilkaset neuronów w każdym, zarówno wewnątrz komór jak i na zewnątrz, regulujących lokalnie rytm skurczów. Niektóre neurony mają mechano- i chemo-receptory pozwalające im reagować na czynniki stresogenne. Lokalne mikroobwody umożliwiają automatyczną regulację, a sprzężenie z ośrodkami w pniu mózgu bardziej precyzyjną kontrolę i adaptację, przygotowanie do walki bądź ucieczki.

Obwodowy (peryferyjny) układ nerwowy (PUN lub ang. PNS): nerwy kręgowe i czaszkowe, dochodzące do mięśni i receptorów czuciowych i kończące się w rdzeniu. Nerwy to wiązki aksonów, długich wypustek neuronów otoczonych osłonką mielinową, stanowiące "okablowanie" organizmu. Nerwy doprowadzające informację od receptorów zmysłowych do mózgu nazywa się czuciowymi lub aferentnymi, a nerwy wychodzące z mózgu i kontrolujące mięśnie i gruczoły nazywa się ruchowymi lub eferentnymi. Przez podstawę mózgowia przechodzi 12 par nerwów czaszkowych (numerowanych rzymskimi liczbami I do XII).

Centralny (ośrodkowy) układ nerwowy (CUN lub ang. CNS) składa się z mózgu, móżdżku i rdzenia kręgowego (kolor pomarańczowy). Jest to główny obiekt naszych zainteresowań.

Z perspektywy rozwojowej wyróżniamy:
  • Przodomózgowie: kresomózgowie i międzymózgowie.
  • Śródmózgowie (mesencephalon): wzgórki czworacze (dolne i górne), pokrywa, nakrywka, konary mózgu i substancja czarna (substantia nigra).
  • Tyłomózgowie: móżdżek, most, rdzeń przedłużony.

Patrząc na ogólny podział funkcji i ewolucyjne pochodzenie możemy wyróżnić trzy struktury mózgu, należy jednak pamiętać, że są to ze sobą ściśle połączone struktury:

Pień mózgu: most, śródmózgowie, rdzeń przedłużony (rdzeniomózgowie).
Pień mózgu zawiera liczne jądra neuronów kontrolujące oddychanie, temperaturę ciała, automatyczne odruchy (kichanie, wymioty), jądra pośredniczące w przekazywaniu sygnałów zmysłowych i motorycznych, regulujące różne funkcje fizjologiczne i utrzymujące homeostazę.

Twór siatkowaty (RAS, Reticular Activiating System) znajduje się w rdzeniu przedłużonym pnia mózgu.
Kontroluje stan pobudzenia umysłu, czuwania i przytomności. Dzieli się na układ wstępujący, wysyłający sygnały do wzgórza, podwzgórza i kory, oraz układ zstępujący, otrzymujący sygnały od nerwów czuciowych i móżdżku, przesyłane przez rdzeń kręgowy do mięśni.

Wzgórze (thalamus) dokonuje wstępnej oceny bodźców zmysłowych (oprócz węchowych), przesyła je do kory.
Reguluje cykle okołodobowe, stany snu i czuwania.
Współpracuje z układem limbicznym przesyłając sygnały o pobudzeniach emocji, umożliwiając szybkie instynktowne reakcje na zagrożenia bez świadomego rozpoznania.

Układ limbiczny mieści się pomiędzy pniem mózgu i podwzgórzem a korą nową.
Pierścień wewnętrzny to kora okołowęchowa, część jąder migdałowatych, i hipokamp.
Pierścień zewnętrzny to

Podwzgórze (hypothalamus) bierze udział w regulacji procesów odpowiedzialnych za homeostazę organizmu: termoregulację, pobieranie pokarmu (wrażenia głodu i nasycenia), gospodarkę wodną (wrażenie pragnienia), kontroluje działanie przysadki mózgowej wydzielającej liczne hormony i współpracę z autonomicznym układem nerwowym, popęd seksualny i rytmy biologiczne.

Boczna część podwzgórza (LH, Lateral Hypothalamus) nazywana była ośrodkiem przyjemności, łącząc się z płatami czołowymi i innymi strukturami pobudza wydzielanie dopaminy w tych obszarach (ważną rolę gra tu też jądro półleżące).

Układ limbiczny kontroluje emocje i popędy organizmu, pamięć ruchów, orientację w przestrzeni, konsolidację pamięci trwałej.

Mózgowie: mózg, móżdżek i rdzeń przedłużony.
Móżdżek, zajmujący się kontrolą i koordynacją ruchową, regulacją napięcia mięśni, utrzymaniem postawy ciała.
Rdzeń kręgowy o średnicy ok. 1cm, gruba wiązka nerwów, kontroluje podstawowe odruchy, np. odruch kolanowy. Wiązka aksonów motoneuronów wychodząca z mózgu do rdzenia kręgowego nazywa się układem piramidowym; nieliczne motoneurony kontrolujące proste odruchy leża poza układem piramidowym.

Kora nowa (neocortex),
układ limbiczny,
pień mózgu - im starsze struktury tym głębiej.
Płaty kory i ich główne funkcje:

  1. potyliczny - wzrok;
  2. ciemieniowy - orientacja przestrzenna, ruch i postrzeganie ruchu;
  3. skroniowy - mowa, pamięć, rozpoznawanie obiektów;
  4. czołowy- planowanie i kontrola ruchu, głosu, ruchy wolicjonalne;
  5. przedczołowy - planowanie, myślenie, pamięć, wola, ocena emocji;
  6. limbiczny, płat przyśrodkowy, okolice zakrętu obręczy - reprezentacja pojęć odnoszących się do "ja" w różnych kontekstach;
  7. wyspa, ukryta w bruzdzie bocznej (szczelinie Sylwiusza) - integracja sensoryczna, reprezentacja "ja", świadomość ciała, homeostatycznych procesów, emocje pierwotne (ból) i społeczne (empatia, wstręt).

Zakręty (gyrus), czyli wypukłości, oraz bruzdy (sulci), czyli wgłębienia, są dokładnie ponazywane, chociaż każdy ma nieco inny kształt, pod tym względem różnią się nawet bliźniaki jednojajowe gdy dorosną.


Na jądra (zwoje) podstawy lub jądra podstawne (basal ganglia), składa się kilka struktur podkorowych:

  1. jądro ogoniaste (caudate nucleus);
  2. skorupa (putamen);
  3. jądro półleżące (nucleus accumbens);
  4. gałka blada (globus pallidus) , dzieląca się na wewnętrzną (GPi) i zewnętrzną (GPe);
  5. jądro niskowzgórzowe (subthalamic nucleus, STN);
  6. istota czarna (substantia nigra, SN) w skład której wchodzi część zbita, siatkowata i boczna.

Skorupa, jądro ogoniaste i jądro półleżące określane są też jako prążkowie (ciało prążkowane), ze względu na prążkowany wygląd.
Gałka blada razem ze skorupą nazywana jest też "jądrem soczewkowatym".
Jądro półleżące uważa się za brzuszną część prążkowia, ma podobną budowę.
Funkcją jąder podstawnych jest inicjacja ruchów, utrzymanie rytmu mowy, jest to rodzaj auto-pilota układu ruchowego, orientacji i stabilizacji ruchów sakadycznych oczu, prawdopodobnie też pełnią rolę w systemie motywacji, nagrody (produkcja dopaminy w istocie czarnej) i uczeniu się umiejętności.
Szczegółowe funkcje poszczególnych jąder są trudne do oddzielenia.
Sugeruje się, że jądro niskowzgórzowe integruje poznawcze, emocjonalne i ruchowe składowe zachowania; pobudzenie tego jądra u kilku pacjentów z chorobą Parkinsona wywołało zachowania hypomaniakalne (wysokiego pobudzenia, ale bez maniakalnych halucynacji).
Hypomaniakalny temperament może być wynikiem wyjątkowej pobudliwości tego jądra.

Jądro półleżące jest częścią pętli korowo-prążkowo-wzgórzowo-korowej, ma kilkadziesiąt tysięcy neuronów, wejścia z brzusznej części nakrywki dostarczają dopaminy (same komórki tego jądra są GABAergiczne). Uszkodzenia tego jądra wywołują anhedonię, czyli zanik zdolność odczuwania przyjemności.
Uważa się, że jądro półleżące jest częścią złożonego mechanizmu nagrody, a poziom dopaminy w tym jądrze skorelowany jest z uczuciem przyjemności wszelkiego rodzaju, również uzależnieniem od przyjemności (sex, drugs & rock'n roll, nikotyna, alkohol i jedzenie).
Szczur, któremu wszczepiono w ten obszar elektrody naciskał przycisk nie jedząc i nie pijąc aż do wyczerpania sił (Olds & Milner, 1950).
Bezpośrednia stymulacja jądra półleżącego stosowana eksperymentalnie jest w leczeniu ciężkiej depresji.
Pobudzenie jądra półleżącego w wyniku oczekiwania na nagrodę koreluje się ze skutecznością efektu placebo.

Wzgórze wzrokowe składa się z ciała kolankowatego bocznego (LGN, Lateral Geniculate Nucleus) oraz wzgórków czworaczych (superior colliculus) odpowiedzialnych za sterowanie mięśniami oka, ocenę położenia głowy i ciała na podstawie informacji wielomodalnej (układ równowagi, słuch, dotyk, wzrok).
Struktury te biorą udział we wstępnym filtrowaniu informacji dochodzącej do płatów przedczołowych. Odkryto też anomalie budowy wzgórza w różnych chorobach psychicznych, np. schizofrenicy mają mniejsze wzgórze wzrokowe.

B4.3. Ogólne funkcje mózgu

Schemat ogólny działania mózgu nie jest zbyt skomplikowany.
Z punktu widzenia ogólnej budowy mamy część przednią i tylną, środkową, przedczołową i przyśrodkową, którym możemy przypisać nieco różne funkcje.

Z funkcjonalnego punktu widzenia do przeżycia potrzebna jest:

Szlak świadomego rozpoznania zawsze zmierza od receptorów zmysłowych, przez jądra wzgórza, do pierwotnej kory zmysłowej, której pobudzenia interpretowane są jako podstawowe wrażenia (wzrokowe, słuchowe, dotykowe), oraz ich umiejscowienie (miejsce ciała, relacje przestrzenne).
Wtórna kora zmysłowa nadaje sens wrażeniom: co czuję, jak powinienem na to zareagować?
Wymaga to zapamiętania poprzednich wrażeń i porównania (jest tak np. w korze somatosensorycznej praca Romo i inn, 2002).

Ten ogólny schemat pozwala spodziewać się ciekawych efektów.
Rozpoznawanie afektywne i kognitywne jest zwykle zintegrowane: rozpoznaję i czuję, że tak jest.
Co się jednak stanie jeśli zaburzony zostanie przepływ informacji między korą a układem limbicznym?
Czy czucie i wiara są pewniejszą podstawą do rozpoznania niż szkiełko i oko? Ani trochę!

Urojeniowe zespoły błędnej identyfikacji

DMS, delusional misidentification syndrome

Halucynacje są subiektywnie postrzegane jako coś rzeczywistego. Żeby odróżnić sytuacje, w których ludzie zdają sobie sprawę, że ich wrażenia nie są rzeczywiste, powstają bez zewnętrznych bodźców, używa się określenia halucynoidy lub parahalucynacje.

Zespół Capgrasa.
Joseph Capgras opisał to urojenie w 1923 roku, ale jego dokładny opis jest w powieści autobiograficznej kilkanaście lat wcześniej (Draaisma 2009). Jest to przekonanie, że bliska osoba, członek rodziny (lub nawet sam pacjent) została zamieniona na kogoś obcego. Spotykane jest wszędzie (nieco częściej u Maorysów niż innych populacji), przyczyną może być uraz głowy.
Wygląda jak żona, mówi jak żona, ale czuję, że to nie ona ... cała rodzina została podmieniona! Nawet mój pies! Lub: ta kobieta w lustrze udaje, że jest mną, chce mi odebrać męża! Rzadziej urojenie to dotyczy zwierząt (nie mój piesek), lub przedmiotów (nie mój misio).
Urojenie może być wybiórcze i dotyczyć tylko jednej osoby lub całej grupy, zwykle występuje u osób cierpiących na inne problemy psychiczne. Niekiedy dochodzi do ataku na rzekomego sobowtóra. Przynajmniej dwa takie przypadki zakończyły się śmiercią.

Dysocjacja pomiędzy rozpoznaniem kognitywnym a afektywnym może dotyczyć uszkodzenia połączeń układu limbicznego i prawego płata obszaru potyliczno-ciemieniowo-skroniowego, obszaru związanego z rozpoznawaniem twarzy.
W zespole Capgrasa twarze są nadal prawidłowo rozpoznawane, ale nie ma psychologicznych ani fizjologicznych reakcji emocjonalnych związanych z poczuciem zaufania lub intymności.
Normalnie gdy widzi się kogoś bliskiego występują zmiany oporności skóry, tu ich brakuje (Ramachandran 1996).
Nie musi to być tylko rozpoznanie wzrokowe, gdyż znany jest przypadek niewidomej kobiety, która po zapachu i dotyku nie mogła rozpoznać męża.

Pacjent rozmawiający z osobą uznaną za sobowtóra przez telefon może go prawidłowo rozpoznawać, ale znany jest przypadek kobiety porozumiewającej się tylko telefonicznie ze swoją córką, którą uznała za sobowtóra, wiec i ta droga może ulec uszkodzeniu, choć zdarza się to bardzo rzadko ze względu na silniejsze połączenia dróg słuchowych z układem limbicznym.

Urojenie Capgrasa może być skrajną wersją zwykłego poczucia obcości wobec kogoś, kto zawodzi nasze oczekiwania, zachowuje się "obco".
Temat ten pojawia się często w filmach: w ludzi wcielili się obcy ... np. "Inwazja porywaczy ciał".

Urojenie intermetamorfozy.
Przekonanie, że ludzie wymieniają się osobowościami chociaż zachowują swój wygląd.
Często łączy się z innymi problemami psychicznymi, np. pacjent z chorobą Alzheimera mylił żonę najpierw ze swoją zmarła matką, a potem siostrą, twierdząc najpierw, że nigdy nie był żonaty, a potem że żona go porzuciła.
Błędne przekonania utrzymywały się również w czasie rozmowy telefonicznej.

Urojenie Fregoli
Przekonanie, że różne spotykane przez nas osoby to ta sama osoba tylko inaczej przebrana. Leopoldo Fregoli był aktorem, mistrzem szybkiego przebierania się na scenie.
Często łączy się z paranoją i poczuciem śledzenia przez jakąś osobę.
To urojenie prawdopodobnie wynika z błędnego rozpoznawania afektywnego wielu osób, pomimo braku rozpoznania kognitywnego.

Urojenie nazwane w 2008 roku Truman Show Delusion.
Związane jest z przekonaniem, że pacjent bierze udział w telewizyjnym reality shows (od filmu "The Truman Show" z 1998 roku).
Inna wersja to przekonanie, że się jest postacią gry komputerowej (jak tłumaczył się jeden złodziej samochodów ...).

Błędne rozpoznanie w lustrze, czyli przekonanie, że odbicie należy do kogoś innego, chociaż może być do nas podobny.
Jest to kolejny przykład urojenia monotematycznego.


Urojenie sobowtóra.
Przekonanie, że mamy sobowtóra (lub kilku), który działa niezależnie od nas i żyje swoim życiem, ma inne cechy charakteru, czasami częściowo zabrał pacjentowi osobowość (częściowa depersonalizacja).
Urojenie może się też odnosić do innych osób, miejsc, lub części ciała (paramnezja powielająca).
Pacjent może być przekonany, że nie jest w szpitalu tylko w domu i konfabulować usiłując uzasadnić, skąd w nim tyle pomieszczeń, windy i chorzy.
Jest to związane z zaburzeniami orientacji w związku z udarem w prawej części płata ciemieniowego.
Możliwa jest też depersonalizacja, wrażenie, że nie kontroluje się swojego działania a tylko obserwuje, jak w filmie lub we śnie (przemijające wrażenie tego typu jest zdaje się dość częste);
poczucie nierzeczywistości, odrealnienia rzeczywistości, stępienie reakcji i wrażeń.

Podobne dziwaczne urojenia:

Urojenia dotyczą często tylko jednego aspektu, czyli są monotematyczne, więc ludziom wydaje się, że są zdrowi bo poza tym są normalni, podczas gdy np. w schizofrenii pacjenci mają urojenia różnych rodzajów.
Na powstanie urojeń monotematycznych składają się dwa czynniki (Davis i inn 2001): anomalne przeżycie, spowodowane zaburzeniem neurologicznym, oraz zaburzenia procesów formowania się przekonań.

Przyczyną może być:

Co się właściwie może dziać z mózgiem w przypadku takich urojeń? Zaburzenia neurologiczne zmieniają percepcję (halucynacje po rozległych udarach występują często), ale głębokie przekonanie o rzeczywistej naturze tych przeżyć jest wynikiem zaburzenia mechanizmów formowania się przekonań.
W przypadku zespołu Capgrasa jest to głównie afektywna składowa związana z rozpoznawaniem twarzy i osoby. Uporczywe utrzymywanie się urojenia świadczy o zaburzeniach procesu tworzenia się przekonań, które zwykle nie opierają się tylko na wrażeniach. Osoby podatne na urojenia mają większe skłonności szybkiego konkludowania na podstawie obserwacji.
Nie mamy tu jednak dobrej teorii, gdyż jest to proces wymagający zrozumienia kolektywnego zachowania się dużych grup współpracujących ze sobą neuronów w różnych częściach mózgu. W dodatku liczba pacjentów z takim zespołem jest bardzo mała, więc przeprowadzono niewiele badań na ten temat.

Takie urojenia należy odróżnić od parahalucynacji wzrokowych ludzi niedowidzących lub ludzi, którzy utracili wzrok, czyli zespołu Charlesa Bonneta, gdyż w tym przypadku ludzie zdają sobie sprawę, że mają halucynacje, system formowania przekonań nie ulega zaburzeniu. Innym rzadkim zespołem neuropsychiatrycznym, w którym pojawiają się parahalucynacje, a więc ludzie zdają sobie sprawę z ich nierealności, jest zespół pedunkularny Lhermitte’a (ang. Lhermitte's peduncular hallucinosis), związany z organicznym uszkodzeniem mostu i konarów móżdżku. Występujące objawy, znane też jako omamy pedunkularne, halucynoza pedunkularna, lub halucynacje szypułkowe, podobne są do wrażenie patrzenia z oddali (jakby przez odwróconą lornetkę). Może to trwać przez kilka sekund, ale powtarzać się przez wiele tygodni a nawet lat, obejmować całe pole widzenia w którym ludzie wyglądają jak lilipucie a zwierzęta są malutkie. Parahalucynacjom wzrokowym mogą też towarzyszyć omamy słuchowe.

Zespół Cotarda.
To przekonanie, że się nie żyje, nie istnieje, jest się w stanie rozkładu, utraciło cała krew lub organy wewnętrzne, nie widzi się niektórych części ciała!
Po urazie mózgu w wyniku wypadku motocyklowego pacjent wyjechał z Szkocji do Południowej Afryki i nabył przekonania, że jest w piekle (było gorąco), po którym oprowadza go duch matki, a sam zmarł na AIDS i jego ciało spoczywa w Edynburgu.
Jules Cotard opisał to urojenie w 1880 roku, związane jest z ciężką depresją, schizofrenią, cyklofrenią, derealizacją, a nawet może być wynikiem migreny.
Opisano też objawy zespołu Cotarda w wyniku reakcji na acyklowir (lek antywirusowy).
Z neurologicznego punktu widzenia jest pewne podobieństwo do zespołu Capgrasa, dysocjacji afektywno-kognitywnych.

Pełne zrozumienie tych rzadkich zespołów zaburzeń wymaga bardziej szczegółowej analizy sposobu działania mózgu, uwzględnienia wpływu neurotransmiterów na globalną dynamikę aktywacji mózgu, realizacji "teorii umysłu" wynikającej z neurodynamiki mózgu.
Możemy się jednak zastanowić, dlaczego potrafimy odróżniać jawę od sennych halucynacji. Skoro korelacja bodźców sensorycznych z aktywacjami mózgu jest niewielka, subiektywne przeżycia to przede wszystkim wewnętrzne aktywacje mózgu, to halucynacje mogłyby się zdarzać często. We śnie można mieć silne wrażenie przebudzenia - nazywa się to fałszywym przebudzeniem (false awakening). Realistyczne marzenia na jawie ("vivid daydreaming") są dość częste. Badania grupy 649 włoskich studentów pokazały, że około 19% miało halucynacje pobudzające różne zmysły, a 11% była mocno podatna na halucynacje.


B4.4. Pień mózgu: homeostaza, ogólna regulacja organizmu

Pień i podstawa neuronalna, zawierającą podstawowe układy regulujące homeostazę organizmu nazywany jest też "zespołem R" (od Reptilians, gady). Zespół R jest bardziej pierwotny niż obszary mózgu kontrolujące emocje, mają go już zwierzęta zimnokrwiste.
Regulacja procesów pozwalających utrzymać organizm przy życiu zachodzi na wielu poziomach, od genetyki i epigenetyki oraz mechanizmów komórkowych, przez procesy metaboliczne, regulację poziomu wszystkich pierwiastków niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania (żelazo, miedź, wapń, sód, potas itd.), oraz poziomu różnych hormonów i neurotransmiterów, ciśnienia krwi, natlenienia, poziomu dwutlenku węgla i innych gazów, insuliny, licznych płynów, kwasów żołądkowych, wydalania, temperatury ciała i wielu parametrów fizjologicznych. Jesteśmy świadomi tylko tych procesów, które można zmienić przez reakcje behawioralne. Pragnienie, głód, ból czy chęć wypróżnienia popychają nas do działania. W wielu przypadkach nieświadomie szukamy pożywienia zawierającego potrzebne organizmowi pierwiastki (np. sól, zawierającą sód), ale niezdolność od uświadomienia sobie, czego potrzebujemy ma tragiczne skutki.
Równowaga złożonych procesów nie daje się często utrzymać bez przygotowania na zmiany. Dlatego pojawiło się pojęcie równowagi dynamicznej nazwanej alostazą, czyli utrzymaniem równowagi przez przygotowanie się do zmian. Dobrym przykładem są rytmy okołodobowe, które są dość regularne, więc organizm może nauczyć się przewidywać potrzeby o różnej porze.
Brak witaminy C wywołuje szkorbut, odpowiedzialny za śmierć około dwóch milionów żeglarzy pomiędzy 16 a końcem 18 wieku ... Magellan stracił 208 z 230 marynarzy swojego statku, głównie z powodu szkorbutu. Nasze receptory poziomu witaminy C, podobnie jak wielu innych substancji, nigdy się nie rozwinęły. Ewolucja mogła wyeliminować te organizmy, które nie reagowały na niebezpieczne bodźce, ale braki witaminy C powodują chorobę dopiero po miesiącu, a w zimie w umiarkowanym klimacie i tak nie było dobrego źródła witamin. Owoce cytrusowe nie dały się przechowywać bez chłodni, a kiszona kapusta znana jest dopiero od paru tysięcy lat.

Pień mózgu wpływa na pozostałe obszary zarówno przez bezpośrednią stymulację jak i regulację poziomu różnych neurotransmiterów oraz nieswoiste pobudzenia większych obszarów mózgu.
W części przedniej widzimy głównie wejścia i wyjścia różnych wiązek nerwów prowadzących do i od rdzenia. Przechodzą tędy wszystkie nerwy kontrolujące ruchy mięśni, oprócz pionowego ruchu oczu. Większość uszkodzeń tego obszaru prowadzi do paraliżu lub niedowładów różnych grup mięśni.

Swoiste (specyficzne) drogi nerwowe biegną od receptorów przez pień mózgu i wzgórze do pól recepcyjnych kory (np droga wzrokowa, słuchowa, smakowa i węchowa), przez nieliczne pośrednie synapsy, działając szybko i oddzielając strumienie informacji o różnych modalnościach. Wywołuje to szybkie, pierwotne aktywacje kory zmysłowej.

Nieswoiste (niespecyficzne) drogi nerwowe prowadzą do tworu siatkowatego, który otrzymuje informacje od wszystkich zmysłów i dzięki temu przez drogi wstępujące biegnące przez wzgórze może pobudzić liczne obszary kory, przygotowując je do analizy specyficznych bodźców. Jest to potencjał wtórny, pojawiający się 20-80 ms po potencjale pierwotnym. Jądra w przedniej części mostu wydzielają acetylocholinę (Ach), która wpływa hamująco na aktywność połączonego z nimi jądra siatkowatego wzgórza. Efektem jest przesłanie do kory dodatkowych sygnałów powodujących desynchronizację zachodzących tam procesów i ułatwiających proces poszukiwania interpretacji dochodzących bodźców (Sadowski, 2005).

Budowa pnia mózgu: trzy główne struktury patrząc od rdzenia to:
  • rdzeń przedłużony (Medulla oblongata),
  • most (pons) i
  • śródmózgowie (mesencephalon).

    • Jego naturalnym przedłużeniem jest międzymózgowie obejmujące wzgórze, szyszynkę, przysadkę i okolice przylegające do trzeciej komory mózgu, pomiedzy przednim i tylnym spoidłem.

    Ośrodki oddechowe w pniu mózgu: jądro pasma samotnego w tylnej (grzbietowej) części rdzenia przedłużonego wysyła projekcje do jądra dwuznacznego (nucleus ambiguus) a stamtąd przez rdzeń do mięśni kontrolujących ruch klatki piersiowej przy wdechu.
    Drugi ośrodek oddechowy mieści się w jądrze dwuznacznym i jądrze zadwuznacznym (nucleus retroambiguus), kontroluje zarówno wdech jak i wydech.
    Nieprawidłowe działanie tych jąder powoduje zaburzenia oddychania, np. bezdech śródsenny, na który cierpi ok. 4% mężczyzn i 2% kobiet.
    Jeśli zatrzymanie oddechu trwa dłużej niż 10 sekund 10 razy w ciągu godziny spada ilość tlenu we krwi a wzrasta ilość dwutlenku węgla. Prowadzi to senności w ciągu dnia, trudności w koncentracji uwagi, zaburzeń pamięci i bólów głowy.
    Ośrodki oddechowe są dość odporne na uszkodzenia pnia mózgu ale mogą ulec uszkodzeniu w wyniku udaru.
    Niemowlęta muszą dobrze kontrolować odruchy wykrztuśnie by mleko nie zalało im płuc; prawdopodobnie błędy działania tego systemu odpowiedzialne są za zespół nagłej śmierci łóżeczkowej, chociaż jest też kilka innych hipotez.
    Q.-J. Sun, T. G. Bautista, R. G. Berkowitz, W.-J. Zhao, P. M. Pilowsky. The temporal relationship between non-respiratory burst activity of expiratory laryngeal motoneurons and phrenic apnoea during stimulation of the superior laryngeal nerve in rat. The Journal of Physiology vol. 589, str. 1819-1830, 2011.

    Kichanie: w wyniku podrażenienia błony śluzowej nosa następuje stymulacja nerwu trójdzielnego wywołująca odruch kichania, może go też wywołać światło słoneczne (u 1/4-1/3 populacji).
    Główne struktury zaangażowane w ten odruch są w rdzeniu przedłużonym, to okolica jądra samotnego (kichanie wiąże się z oddechem) i jądra nerwu trójdzielnego.
    Okoliczne obszary (jądro dwuznaczne i jądro samotne) zaangażowane też są w odruch połykania.

    Ośrodek wymiotny mieści się w rdzeniu przedłużonym i jest znacznie bardziej skomplikowany: chemoreceptory w polu najdalszym (to jeden z narządów okołokomorowych na dnie czwartej komory) reagują na substancje w krwi, gdyż w tym obszarze bariera krew-mózg jest nieszczelna. Ośrodek wymiotny otrzymuje informacje z jąder przedsionkowych (zmysł równowagi), móżdżku, jądra nerwu trójdzielnego, jądra samotnego, jąder ślinianek, ośrodków oddechowych, a wysyła informację do jąder w moście, jądra dwuznaczego a także jąder kontrolujących ruch mięśni twarzy.
    Uwaga, wymioty !

    Przez przednią część mostu przebiegają liczne szlaki nerwów czaszkowych. Wstępne przetwarzanie bodźców przed dojściem do wzgórza to rola jądra: podjęzykowego, językowo-gardłowego, grzbietowe nerwu błędnego, przedsionkowo-ślimakowego, twarzowego, odwodzącego, jądra nerwu trójdzielnego, oraz jądra dwuznacznego i jądra samotnego, oraz licznych jąder produkujące neurotransmitery i kontrolujących działanie całego mózgu.

    Most dostarcza móżdżkowi informacji o sygnałach sterujących mięśniami, móżdżek przesyła dodatkowe sygnały modyfikujące szczegóły skurczów mięśni.
    Uszkodzenia podstawy mostu mogą prowadzić do niekontrolowanych krótkich epizodów płaczu (rzadziej śmiechu), może to być zapowiedzią udaru pnia mózgu.
    Niektóre uszkodzenia mogą doprowadzić do specificznych gwałtownych ruchów gałki ocznej (częściej jest to jednak związane z uszkodzeniami środmózgowia).

    W pniu jest aż 9 jąder serotoninergicznych, czyli wydzielających neurotransmiter serotoninę (5-HT, 5-hydorksytryptoamina).


    Jądra produkujące serotoninę:
    22: jądra szwu (raphe nucleus), 9 par w całym pniu; 34-miejsce sinawe (locus coeruleus); 36-jądro przyramienne boczne; 37-jądro górne środkowe (nucleus intercalatus); 47-jądro pasma samotnego.
    Projekcje tych jąder zmierzają do podwzgórza (21), układu limbicznego: ciała migdałowatego (40), hipokampu (41), zakrętu obręczy, jądra ogoniastego (1) i skorupy (2).

    W mózgu (80% serotoniny jest w jelitach) gra ważną rolę w regulacji faz snu, nastroju, apetytu, odruchu wymiotnego i popędu seksualnego.
    Zaburzenia poziomu serotoniny wiążą się z depresją, migrenami, stanami lękowymi, oraz cyklofrenią (zaburzeniem afektywnem dwubiegunowym).

    Jądrem produkującym noradrenalinę (norepinefrynę), neurotransmiter regulujący stopień pobudzenia mózgu jak i niektóre funkcje autonomiczne (np. termoregulację), jest miejsce sinawe (34), położone z tyłu (grzebietowo) mostu, ma ok. 10-14 mm.
    Podwyższona wrażliwość na działanie noradrenaliny w części podstawno-bocznej jąder migdałowatych (40) jest odpowiedzialna za stany lękowe wynikające ze stresu, w tym za ostry zespół stresu pourazowego (posttraumatic stres disorder, PTSD).

    Human brain stem atlas, p. 55

    Silny stres zaburza działanie jądra sinawego.
    PTSD może rozwijać się powoli, od tygodni do miesięcy, wywołując opóźnione rekacje stresowe, poczucie odrętwienia i przytępienia uczuciowego, niezdolność do przeżywania przyjemności, bezsenność, lęki i stany depresyjne, nawroty przeżyć urazowych sytuacji, a nawet załamanie i brak reakcji na otoczenie.

    Leki na depresję, stany paniki, fobie i silne lęki oddziaływają na miejsce sinawe.
    Zaburzenia działania tego jądra obserwowane jest tez w chorobie Parkinsona, Alzheimera (utrata 70% neuronów w tym obszarze) i syndromie Downa.
    Miejsce sinawe związane jest też z regulacją faz snu REM.

    Twór siatkowaty znajduje się w grzbietowej części pnia mózgu. Neurony są tam słabo rozgałęzione, w wielu miejscach rozproszone, aksony mogą być wstępujące lub zstępujące.

    Wyodrębniono aż 96 jąder tworu siatkowatego, w tym

    Funkcje wielu z tych jąder nie są znane. Pień mózgu jest najsłabiej poznaną strukturą.

    Twór siatkowaty ma rozległe projekcje wstępujące i zstępujące, dzięki czemu ma wpływ na regulację stanu przytomności, wybudzanie mózgu (część wstępująca) i wzmaganie czujności, jak i poczucie zmęczenia.
    Część zstępująca pobudza mięśnie, zapewniając ogólny tonus, modulowany przez móżdżek oraz pobudzany przez jądra przedsionkowe (równowaga), korę ruchową, a hamowany przez jądro ogoniaste.
    TS uważa się za układ "motywacyjny", dający napęd do działań różnego rodzaju, przełączający pomiędzy parami biegunowo różnych zachowań dotyczących ogólnego pobudzenia (sen-czuwanie), ruchu (spoczynek-ruch), jedzenia (głód-sytość), wydalania, aktywności seksualnej.
    Znaleziono korelację pomiędzy pobudliwością tworu siatkowatego a typem osobowości.

    Uszkodzenia TS powodują śpiączkę (koma) z możliwym całkowitym brakiem reakcji, lub trwały stan wegetatywny (VS=vegetative state, lub UWS = unresponsive wakeful state) i brak świadomości pomimo zachowania reakcji odruchowych.
    Neuroobrazowanie pokazuje uszkodzenia w obszarze TS u ludzi cierpiących na syndrom chronicznego zmęczenia (chronic fatigue syndrome), oraz niektóre przypadki zespołu nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi (zaburzenie hiperkinetyczne), (ADHD)

    Ciężkie uszkodzenie tworu siatkowatego może prowadzić do śpiączki, zwykle w ciągu 2-4 tygodni przechodzącej w stan śmierci mózgu lub stan wegetatywny.
    Stan śmierci mózgu wiąże się z całkowitym brakiem aktywności mózgu, łącznie z pniem, a więc również samodzielnej kontroli oddychania.


    Martwy mózg na obrazie uzyskanym techniką PET.

    W trwałym stanie wegetatywnym działa pień mózgu, ale reszta mózgu jest martwa. Pacjent ma otwarte oczy i może przechodzić przez cykl czuwania i snu, ale nie potrafi wodzić wzrokiem czy reagować spójnie na bodźce. Po 4 tygodniach taki stan uznaje się za trwały.
    W niektórych przypadkach widać pobudzenia kory zmysłowej i ruchowej, ale nie obszarów skojarzeniowych; w efekcie pacje nt wykonuje niekontrolowane ruchy, grymasy twarzy, wydaje nieartykułowane dźwięki. W rzadkich przypadkach wraca świadomość i aktywność w obszarach skojarzeniowych.
    Znany jest przypadek kobiety pozostającej przez 20 lat w stanie wegetatywnym, której część kory, w tym obszar Wernickego i Broki, były nadal aktywne, a przypadkowe pobudzenia tej kory powodowały wypowiadanie izolowanych słów (N. Schiff et al, Brain 125, 1210-1234, 2002).

    Stan minimalnej świadomości jest wynikiem braku aktywności rozległych obszarów mózgu, zachowane są jednak pobudzenia kory zmysłowej i niektórych obszarów skojarzeniowych.
    Prowadzi to od czasu do czasu do spójnych reakcji pacjentów, którym można przypisać minimalną świadomość. Taki stan odróżnia się od stanu wegetatywnego dopiero od lat 1990.
    Powtórne zbadanie 40 niewidomych pacjentów uznanych za osoby w stanie wegetatywnym w 1996 roku w Wielkiej Brytanii pokazało, że 17 z nich miało minimalną świadomość i zdolności do porozumiewania się.
    Terry Wallis przebudził się po 19 latach w stanie minimalnej świadomości.
    Terri Schiavo po 15 latach stanu wegetatywnego została odłączona od aparatury (wyrokiem Sądu Najwyższego USA); jej mózg uległ atrofii i ważył po śmierci 615 gramów.

    Mutyzm akinetyczny jest pośrednim stanem, wynikiem obustronnego uszkodzenia tworu siatkowatego, wzgórza i kory zakrętu obręczy.
    W efekcie takich uszkodzeń pacjent nie może się poruszać ani nawiązać kontaktu z otoczeniem, chociaż wydaje się być przytomny, wodząc oczami, ale nie rozpoznając nikogo.
    Zniszczenie kory zakrętu obręczy prowadzi też do apatii i niewrażliwości na ból.
    W rzadkich przypadkach droga słuchowa pozostaje aktywna i pacjenci mogą prowadzić rozmowę przez telefon, rozpoznają swoich rozmówców (Ramachandran, 2011, rozdz. 9).


    Metabolizm mózgu w różnych stanach świadomości.

    Uszkodzenia brzusznej części mostu (uraz, krwotok, miażdżyca) mogą spowodować "zespół zamknięcia", całkowity paraliż ciała; pozostaje jedynie możliwość pionowych ruchów gałki ocznej i mruganie powiekami.
    Komunikacja z taką osobą możliwa jest też dzięki sygnałom EEG.
    Wiemy, że takie uszkodzenia nie upośledzają świadomości, zmieniają nastrój na melancholijny.
    Same obserwacje klinicznie nie potrafią czasem odróżnić stanu zamknięcia od prawdziwego stanu wegetatywnego, ale za pomocą neuroobrazowania można zobaczyć, czy człowiek reaguje na polecenia i wyobraża sobie kontrastowe sytuacje rozróżnialne za pomocą metod obrazowania funkcjonalnego (H. Koizumi i inn., Adrian Owen i inn.).
    Dziennikarz, redaktor naczelny "Elle", Jean-Dominique Bauby, po wylewie, przez dwa lata żył w stanie zamknięcia, mrugając powieką napisał książkę "Skafander i motyl", według której nakręcono film.

    Pień mózgu jest więc kluczową strukturą dla zrozumienia działania całości, a w szczególności świadomości.
    Świadomość rdzenna (Damasio), poczucie istnienia, wykorzystuje "pętlę ciała", informacje chemiczne z układu autonomicznego i informacje z układu obwodowego i centralnego.
    Jądra pnia mózgu zbierają informację z rdzenia i nerwów czaszkowych (trójdzielnego i błędnego): są to jądra tworu siatkowatego i okoliczne (aminowe i acetylocholinowe).

    Śródmózgowie składa się z

    Pokrywa zawiera wzgórki czworacze, pośredniczące w odruchach słuchowych (dolne) i wzrokowych (górne).
    Wzgórki górne połączone są z siatkówką, korą wzrokową, czołowym polem okołoruchowym, integrują informację z innych obszarów kory zmysłowej, są odpowiedzialne za mechanizm orientacji i ruchy sakadyczne oczu.
    Nakrywka zawiera największe jądro, czyli istotę czarną, duże jądro produkujące dopaminę, silnie wpływające na pracę zwojów podstawy mózgu i kory.
    Zawiera też istotę szara środkową, jądro czerwienne oraz część okołośrodkowego tworu siatkowatego.

    Istota szara okołowodociagowa (PAG) to nazwa istoty szarej otaczającej wodociąg mózgu;
    zawiera jądra grzbietowe szwu, miejsce sinawe, jądro grzbietowe nakrywki i nerwu trójdzielnego;
    koordynuje reakcje emocjonalne przez jądra ruchowe tworu siatkowatego i nerwy czaszkowe.

    Ogólną funkcją pnia mózgu jest zarządzanie stanami ciała i ich reprezentacjami.
    Informacje o stanie ciała reprezentowane są w korze somatosensorycznej.

    Trudno jest zrobić dobry model działania pnia mózgu ze względu na stopień jego komplikacji.

    Spekulacje na temat funkcji pnia mózgu (Kilmer, McCuloch, Blum 1969):
    drzewka dendrytyczne prostopadłe do kierunku rdzenia tworzą moduły, które być może zdolne są do analizy sygnałów o różnych modalnościach.
    Twór siatkowaty potrafi prawdopodobnie sterować ogólną aktywnością całego mózgu (wybierać globalny stan behawioralny), przełączając go na różne tryby działania.

    Pojawiły sie próby zastosowania takiego modelu w robotyce (M.D. Humphries, K. Gurney, T.J. Prescott, Adaptive Behavior 13, 97-113, 2005), ale niewiele się w modelowaniu pnia mózgu od 1969 roku zmieniło!

    Rysunek z pracy Humphries i inni (2005):
    a) Mózg kota,
    SC=wzgórki czworacze,
    SN = istota czarna,
    CPu = jądro ogoniaste i skorupa.

    b) drzewka dendrytyczne, duże kółko symbolizuje neuron projekcyjny.

    c) Model z modułami, czarne kółka to neurony wstawkowe (lokalnie hamujące).

    Niestety nie jest to model całego pnia czy tworu siatkowatego a jedynie rozważania pokazujące, że twór siatkowaty ma strukturę sieci "małych światów", lokalnie silnie połączone jądra, ze znacznie rzadszymi połączeniami pomiędzy nimi.

    Jakie dokładnie są to połączenia? Pień jest nadal strukturą mało zbadaną.
    Istnieje dobra baza danych o mózgu szczura, o połączeniach korowo-mostowych i innych.

    Wim Hof potrafi regulować temperaturę ciała nawet w skrajnych warunkach (np. zanurzony przez 1 godzinę i 44 minuty po szyję w lodzie)! Hoff potrafi generować ciepło, wydaje się, że używa techniki tummo tybetańskich joginów, opartej na hiperwentylacji. Jego porady na temat ćwiczeń oddechowych można znaleźć na stronie < a href="https://www.wimhofmethod.com/">Wim Hoff method.
    Istnieje więc możliwość nauczenia się świadomego wpływania na niektóre funkcje pnia mózgu.

    B4.5 Wzgórze

    Wzgórze (thalamus) jest największą częścią miedzymózgowia, do którego należy też podwzgórze, oraz okolice trzeciej komory mózgu.
    Wzgórze to centralna stacja przekaźnikowa: dochodzą do niego informacje czuciowe od wszystkich zmysłów oprócz węchu.
    Większość połączeń ma z korą mózgu, mniej z jądrami podstawy i podwzgórzem.

    Wzgórze pełni kluczową rolę w integracji informacji czuciowych i ruchowych, w procesach uwagi i kontrolowania dostępu do danych czuciowych, poprzez pętle korowo-wzgórzowe.
    Wzgórze współpracując z pniem mózgu i z korą ma wpływ na to, jakie informacje docierają do kory i jak mocno uaktywniane są różne obszary i sposoby jej działania.
    Część wzgórza zalicza się do układu limbicznego.


    Ogólne umiejscowienie wzgórza w mózgu.

    Wzgórze dzieli się na kilka obszarów, czasami wyróżnia się zawzgórze z ciałem kolankowatym bocznym i przyśrodkowym, oraz nadzwgórze.
    Można w nim wyróżnić:

    Uszkodzenia poduszki po dominującej stronie mózgu mogą prowadzić do:

    Jądra wzgórza są zwykle dzielone na 4 grupy: przednią, środkową, brzuszno-boczną i tylną.

    Warstwy neuronów we wzgórzu można oznaczyć w zależności od ich połączeń z korą mózgu. Połączenia są dwustronne, określane jako pętle wzgórzowo-korowe. Kora może więc do pewnego stopnia regulować dopływ aktywacji ze wzgórza. Wiąże się to z procesami uwagi wolicjonalnej i spontanicznej.

    Te połączenia można zobaczyć za pomocą metod traktografii w fMRI.


    Izhikievich & Edelman, PNAS 2008

    W skład wzgórza wchodzi też:

    Uszkodzenia tych dróg wywołują specyficzne efekty:

    Afazje były traktowanie jako zaburzenia korowe, ale uszkodzenia wzgórza, jąder podstawy, oraz głębokiej istoty białej prowadzą do różnorodnych zaburzeń obejmujących mieszane objawy ruchowo-czuciowe.
    Podkorowa afazja ruchowa (afemia) daje podobne objawy jak afazja Broki.

    Podsumowując mamy następujące najważniejsze struktury, uporządkowane częściowo hierarchicznie. Jest ich oczywiście znacznie więcej, w samym podwzgórzu wiele drobnych jąder, każda z wymienionych struktur ma wiele funkcji i złożoną budowę, ale takie schematy pozwalają na ogólną orientację.


    Zadanie:
    W tej części poznaliśmy metody badania aktywności mózgu, ogólną budowę anatomiczną, oraz rolę pnia mózgu i wzgórza. Pozwala to wyjaśnić wiele zaburzeń.
    Spróbuj wyobrazić sobie jakie jeszcze funkcje i zdolności można w ten sposób wyjaśnić. Jakie zaburzenia w realizacji tych funkcji mogą wystąpić przy niewłaściwej współpracy różnych obszarów mózgu?

    Przykładowe pytania:

    1. Jakie funkcje pełni autonomiczny układ nerwowy?
    2. Jak zbudowany jest autonomiczny układ nerwowy?
    3. Skąd bierze się wrażenie ściskania w podbrzuszu?
    4. Jakimi drogami praca serca może wpływać na mózg? Jaka dziedzina medycyny się tym zajmuje?
    5. Jakie główne zadania pełni obwodowy układ nerwowy?
    6. Centralny układ nerwowy z perspektywy rozwojowej.
    7. Jakie główne struktury centralnego układu nerwowego odpowiadają za istotne dla przeżycia funkcje?
    8. Jakie są ewolucyjne przyczyny specyficznej budowy centralnego układ nerwowego?
    9. Jakie struktury mózgu zaliczyć można do układu limbicznego?
    10. Rola podwzgórza; rola zwojów podstawy mózgu.
    11. Co to jest anhedonia i co ją powoduje?
    12. Ogólny schemat działania mózgu w 5 bloczkach.
    13. Wymień 6 rzeczy, których potrzebujemy do przeżycia; jakie struktury mózgu za to odpowiadają?
    14. Opisz urojeniowe zespoły błędnej identyfikacji: Capgras, Fregoli, intermetamorfoza, sobowtóra, Cotarda ... objawy i możliwe przyczyny.
    15. Jakie zmiany w mózgu mogą być przyczyną urojeń monotematycznych?
    16. Jakie znasz metody badania aktywności mózgu, jakich sygnałów używają i co nam mogą pomóc zrozumieć?
    17. Jakie procesy można zaobserwować za pomocą techniki: EEG, ERP, MEG?
    18. Co można obserwować za pomocą techniki: fMRI, Spect, PET, NIRS?
    19. Ogólna budowa pnia mózgu.
    20. Pień mózgu i kontrola odruchów.
    21. Ośrodki oddechowe pnia mózgu.
    22. Pień mózgu: główne jądra serotoniczne, jadra noradrenergiczne.
    23. Jaka jest rola tworu siatkowatego pnia mózgu?
    24. Jak wiąże się aktywność tworu siatkowatego z typami osobowości?
    25. Czym charakteryzują się obniżone stany świadomości - wegetatywny, stan minimalnej świadomości, śpiączka - i jak się to ma do stanu pnia mózgu?
    26. Opisać przyczyny i objawy stanu zamknięcia.
    27. Śródmózgowie: jego anatomia i podstawowe funkcje.
    28. Wzgórze: po co je mamy i jak jest zbudowane?
    29. Które jądra wzgórza współpracują z układem limbicznym?
    30. Z jakimi obszarami kory łączą się różne grupy jąder wzgórza?
    31. Opisać efekty lezji różnych dróg łączących wzgórze z korą.

    Literatura

    Lokalne linki na moim dysku do prezentacji: śródmózgowie i pień | pień i móżdżek.
    Nine month that made you, dokument BBC w 3 częściach na YouTube.

    Ciekawostka: czy mózg może żyć bez ciała? Już w latach 1920 rosjanie (Sergiej Bruchonienko) pokazali rezultaty takiego eksperymentu z głową psa. Zdjęcie i wideo jest tutaj. Od tego czasu nastąpił duży postęp i transplantacja głowy człowieka wydaje się możliwa w niedalekiej przyszłości.

    Przekrój mózgu, film (tylko lokalnie!).
    Wszystkie struktury mózgu, film (tylko lokalnie!).
    Mózg Einsteina, mózg Lenina i mózg Piłsudskiego.

    Physiology Flashcards, czyli karty z pytaniami do zagadnień związanych z fizjologią.
    Behavioural and Neuroscience Methods, Cognitive Psychology and Cognitive Neuroscience Wikibook

    Cytowanie: Włodzisław Duch, Wstęp do Kognitywistyki. Rozdz. B04: Funkcjonalna budowa mózgu. UMK Toruń 2020.
    W. Duch, Wstęp do kognitywistyki - spis treści

    Następny rozdział: pień mózgu i wzgórze | Wstęp do kognitywistyki - spis treści.