Jak odkrywamy działanie mózgu? Cz. 1

Zbadanie tego, jak działa mózg, nie jest łatwą sprawą. To struktura niezwykle złożona, a do tego jednocześnie bardzo skondensowana, oraz mocno rozproszona. Skondensowana, bo bardzo dużo dzieje się na bardzo małej powierzchni. Rozproszona, bo w jednej operacji typu przetwarzanie obrazu mogą brać udział struktury z całego mózgu.

Odkrycie tego, jak mózg faktycznie działa jest więc sporym wyzwaniem. Pomyślałem, że warto przybliżyć metody, jakimi jest to odkrywane.

Autopsja

Problem z weryfikacją tego jak działa mózg leży oczywiście w tym, że dość mocno potrzebujemy go do życia. Pierwsze odkrycia na temat funkcjonalności poszczególnych struktur dokonywane były więc głównie na pośmiertnie badanych mózgach osób z różnymi uszkodzeniami poznawczymi. W drugiej połowie XIX wieku lekarze zaczęli łączyć uszkodzenia poszczególnych obszarów mózgu z niedoborami w funkcjonowaniu byłych posiadaczy tychże mózgów. Zaczęło się od Paula Broki, który opisał dwójkę swoich pacjentów, niezdolnych do mówienia po uszkodzeniu konkretnego obszaru płata czołowego. Ogromna część naszej początkowej wiedzy na temat mózgów pochodziła właśnie z autopsji chorych osób.

Zalety:

• Mamy dostępny cały mózg, mamy potencjalnie dobrze opisane jak ten mózg działa w żywym pacjencie.

Wady:

• Ten mózg już nie działa. Mamy stan po awarii, ale możemy tylko zgadywać jakie uszkodzenia były faktycznie kluczowe.

Badania nad zwierzętami

Kolejnym krokiem w odkrywaniu mózgu były – dość okrutne, trzeba przyznać – badania nad zwierzętami. Uszkadzano chirurgicznie wybrany obszar mózgu żywego zwierzęcia, po czym sprawdzano jak funkcjonuje ono w warunkach eksperymentalnych. Z czasem technologia ta została dwojako rozwinięta. Dziś wiele uszkodzeń realizuje się nie chirurgicznie, ale wpływając na geny zwierzęcia, tak by celowo wywołać zaburzenie w jakimś obszarze. Drugą metodą, jaką dziś stosujemy jest wszczepianie zdalnie sterowanych elektrod, które sztucznie pobudzają jakieś obszary mózgu (np. ośrodek przyjemności) i sprawdzanie efektów takiego pobudzenia.

W tej kategorii pojawiają się też badania nad mniejszymi fragmentami mózgu czy układu nerwowego. Np. większość naszej wiedzy o działaniu neuronów mamy z prac nad olbrzymim neuronem kałamarnicy, którego ogromny jak na neurologię, nawet jednomilimetrowy obwód zdecydowanie ułatwia badanie i obserwacje.

Zalety:

• Możliwość weryfikacji wielu różnych sytuacji i scenariuszy.
• W odróżnieniu od poprzedniej metody, tu pracujemy na żywych organizmach…

Wady:

• …które nie są jednak ludźmi, więc ich mózgi mogą działać mocno odmiennie.
• Problemy etyczne.
• Problemy z odpowiednim dopasowaniem badania do zachowań zwierząt. (Brak określonego działania może być efektem nie tyle uszkodzenia mózgu, co badania zaprojektowanego bez uwzględnienia charakterystycznych potrzeb i skłonności konkretnego gatunku.)

Pacjenci z padaczką

Pierwszą poważną okazją do wejścia ze skalpelem i elektrodą do mózgu żywego człowieka były próby terapii osób chorych na padaczkę ogniskową. Poważna, lekooporna padaczka może stanowić zagrożenie życia pacjenta, dlatego już na początku XX wieku zaczęto eksperymentować z chirurgicznymi interwencjami w tym zakresie. Izolując ognisko – w uproszczeniu „punkt startowy” ataków padaczkowych – można takie ataki zahamować. Jednocześnie tacy pacjenci i ich funkcjonowanie po operacji mogą dać wiele bardzo cennych danych na temat działania mózgu.

Co więcej, w trakcie przygotowania do takiej operacji, otwarty mózg świadomego, miejscowo znieczulonego pacjenta jest elektrycznie stymulowany, tak by odkryć dokładne ognisko choroby. Nie martw się, mózg jako taki nie ma neuronów czuciowych, taki pacjent nie odczuwa więc bólu. Weryfikując to, co pacjent zgłasza przy okazji takiej stymulacji, można stworzyć mapę tego, jak działa mózg.

Zalety:

• Pierwsza technika weryfikująca działanie obszarów mózgu u żywych ludzi.

Wady:

• Badamy „przy okazji”, pacjentów chorych – wiec być może nie da się tego idealnie przenieść na zdrowy mózg, zwłaszcza gdy padaczka jest efektem innych uszkodzeń (np. nowotworu mózgu).
• Stymulacja elektryczna obejmuje tylko powierzchnię mózgu, dostęp do głębszych struktur jest mocno ograniczony.
• Jednorazowa operacja z trwałymi efektami, często poważnymi dla pacjenta.

Wszystkie powyższe metody, choć dały nam wiele wiedzy o tym jak mózg działa i funkcjonuje, miały jednak wiele ograniczeń. Przede wszystkim badały „duże” rzeczy, takie jak ruch czy zdolność mowy. Niewiele natomiast mówiły nam o tym, co dzieje się w takich bardziej prostych, codziennych sytuacjach. Jak Twój mózg reaguje, gdy widzisz pizzę? Swojego szefa? Swojego szefa, który zajumał Ci właśnie ostatni kawałek pizzy?

To pozwoliły nam odkryć kolejne techniki, którym przyjrzymy się w następnym wpisie.

---

---