Jak działa mózg

Poprzedni rozdział | Jak działa mózg - spis treści.

6.2. Metody badania aktywności mózgu

Analiza urazów powypadkowych.
Już Egipski papirus sprzed 3500 lat wymienia 28 uszkodzeń, dokonywano wtedy trepanacji czaszki by wyciąć guzy.
Arystoteles uznał serce za siedlisko uczuć i rozumu.
W -3 w. Herofilos, lekarz z Aleksandrii twierdził, że mózg odpowiedzialny jest za życie psychiczne.
Galen z Pergamonu: uszkodzenia rdzenia i paraliżem, móżdżka i koordynacja ruchów, "płyn umysłu" w komorach.

Andreas Vesalius (1514-1564, Flamandia), twórca nowożytnej anatomii, ostatecznie ustalił znaczenie mózgu. Kościół w tym czasie uznawał, że liczba żeber u mężczyzny powinna być z jednej strony mniejsza o jedno, tępiąc poglądy Vesaliusa ...
Systematyczne badania skutków urazów rozpoczęło się w XIX wieku.

Kontrolowane uszkodzenia mózgu możliwe są tylko w badaniach na zwierzętach, i pozwalają na analizę tylko prostych zachowań.
Hitzing i Fritsch, koniec XIX wieku stymulowali elektrycznie mózgi zwierząt.
Operacje u pacjentów cierpiących na padaczkę: mapy Wilreda Penfielda z lat 1950.

Rozwój nie-inwazyjnych technik badania mózgu - początkowo tylko elektoencefalografii, EEG (Hans Berger, 1929).
Zastosowania diagnostyczne EEG pozwalają wczesnie wykryć głuchotę, skłonności do padaczki, zaburzenia neurologiczne.
Mapy aktywności EEG i korelacji pomiędzy elektrodami z różnych obszarów.
Zapis aktywności kilku neuronów - na zwierzętach.

Badania potencjałów wywołanych (ERP), czyli uśrednionych sygnałów EEG po wielu próbach.
Charakterystyczne sygnały dla reakcji poznawczych na pierwotny sygnał pojawiają się po 200-300 msek (odcinek P200 i P300), wzrost amplitudy proporcjonalny do stymulacji. P300 milisekund zależy od stanu wewnętrznego.

Istnieje obecnie wiele metod obrazowania medycznego.

MEG, magnetoencefalografia: podobnie jak EEG, ale pozwalają dotrzeć do głębszych źródeł.
Zalety: szybkozmienne sygnały.
Wady: kosztowna aparatura, trudna interpretacja.

Arteriografia lub angiografia: po wstrzyknięciu kontrastu wykonuje się zdjęcia rentgenowskie, obrazuje tetnice.

Tomografia rentgenowska CAT (osiowa tomografia komputerowa): można wykryć guzy, dobrze widoczne różnice płyn CSF, kość, tkanka miękka, ale słabo widoczne tkanki. Wiązka krąży wokół głowy, z licznikiem po drugiej stronie. Dość bezpieczna i tania.

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.
Pozwala wykryć różne substancje, dlatego jest to technika ważna dla medycyny..
Pozwala używać związków pochłanianych przez specyficzne struktury mózgu.
Rozdzielczość czasowa rzędu 1 min, przestrzenna kilka cm.

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, pozwala mierzyć gęstość tkanki, duża rozdzielczość rzędu 1 mm.
Rekonstrukcja 3-D w różnych przekrojach.
Przekrój pionowy (coronal), film (tylko lokalnie!).
Przekrój strzałkowy, film (tylko lokalnie!).
fMRI, funkcjonalny MRI: wykorzystuje rezonans z udziałem jąder tlenu, pokazuje sygnał BOLD (Blood Oxygen-Level Dependent), czyli przepływ utlenionej krwi.
Nieco tańszy od PET, nie wymaga izotopów, wykorzystuje bardzo silne pole magnetyczne (stosuje się 3 Tesla dla ludzi, 7 Tesla dla zwierząt).

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

Porównanie kilku metod bezinwazyjnego obrazowania pracy mózgu.

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

Przyszłość: połączenie MEG z fMRI, szybkość i precyzja.
Można obserwować zlokalizowaną aktywność przy ruchu poszczególnych palców.
Niestety ta technika rozwija się powoli i jest droga.
Wiele technik obrazowania inwazyjnego, stosowanych tylko na zwierzętach.

Ciekawe rezultaty wynikające z neuroobrazowania.

Chociaż całkowita wielkość mózgu słabo koreluje się z IQ około 6% szarej materii znajdująca się w fragmentach kory czołowej, skroniowej i ceimieniowej wykazuje dużą korelację (Haier 2004).
Kobiety mają znacznie więcej białej (9x) a mniej szarej materii (6.5x), której objętość skorelowana jest z wynikami testów IQ.
U mężczyzn najsilniejsze korelacje dotyczą płatów ciemieniowych i czołowych, u kobiet jest to prawy płat czołowy i obszar Broca.

Transcranial Magnetic Stimulation (TMS), czyli magnetyczna stymulacja przezczaszkowa, pozwala na selektywną i bezinwazyjną stymulację wybranych obszarów mózgu.
Osiągana precyzja jest rzędu milimietrów.
TMS ma też zastosowania terapeutyczne w depresji, halucynacjach, padaczce.

Literatura
Haier RJ, Jung RE, Yeo RA, et al. The neuroanatomy of general intelligence: sex matters. NeuroImage 25:320-327, 2005.

Następny rozdział. | Jak działa mózg - spis treści.

MEG, magnetoencefalografia: podobnie jak EEG, ale pozwalają dotrzeć do głębszych źródeł. Zalety: szybkozmienne sygnały. Wady: kosztowna aparatura, trudna interpretacja.
Arteriografia lub angiografia: po wstrzyknięciu kontrastu wykonuje się zdjęcia rentgenowskie, obrazuje tetnice.
Tomografia rentgenowska CAT (osiowa tomografia komputerowa): można wykryć guzy, dobrze widoczne różnice płyn CSF, kość, tkanka miękka, ale słabo widoczne tkanki. Wiązka krąży wokół głowy, z licznikiem po drugiej stronie. Dość bezpieczna i tania.
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. Pozwala wykryć różne substancje, dlatego jest to technika ważna dla medycyny.. Pozwala używać związków pochłanianych przez specyficzne struktury mózgu. Rozdzielczość czasowa rzędu 1 min, przestrzenna kilka cm.
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, pozwala mierzyć gęstość tkanki, duża rozdzielczość rzędu 1 mm. Rekonstrukcja 3-D w różnych przekrojach. Przekrój pionowy (coronal), film (tylko lokalnie!). Przekrój strzałkowy, film (tylko lokalnie!). fMRI, funkcjonalny MRI: wykorzystuje rezonans z udziałem jąder tlenu, pokazuje sygnał BOLD (Blood Oxygen-Level Dependent), czyli przepływ utlenionej krwi. Nieco tańszy od PET, nie wymaga izotopów, wykorzystuje bardzo silne pole magnetyczne (stosuje się 3 Tesla dla ludzi, 7 Tesla dla zwierząt).