Jak odkrywamy działanie mózgu? Cz. 2

Druga część materiału o tym, jak uczyliśmy się działania mózgu. Tym razem wyjdziemy ponad efekty chirurgii na żywym organizmie i przejdziemy do rozwiązań technologicznych. Jakie metody używane są dziś do sięgnięcia do mózgu i odkrycia jego działania?

EEG – elektroencefalogram

Metoda badania mózgu, z którą większość czytelników mogła mieć do czynienia przy okazji rutynowych badań lekarskich albo nawet rozrywki. Wynaleziona pod koniec XIX wieku (choć u ludzi stosowana dopiero od lat 30-tych XX wieku), elektroencefalografia jest metodą pomiaru tzw. fal mózgowych. Te fale to rytmiczne pobudzenia mózgu, pokazujące jego aktywność. W tym celu na głowie pacjenta umieszcza się zestaw elektrod, które pozwalają nieinwazyjnie obserwować elektryczną aktywność mózgu. Jej tempo oraz natężenie pozwala nam ocenić czy mózg operuje prawidłowo, oraz, w ograniczonym stopniu, co dzieje się w poszczególnych jego obszarach.

Jak widzisz z powyższej grafiki, zapis EEG jest tak naprawdę dość prostą metodą. Niewielka liczba elektrod-punktów odczytu (zwykle 19), mierzących ograniczoną zmienną i tylko na powierzchni mózgu. Mimo wszystko dla badań nad działaniem mózgu był to ogromny skok jakościowy. Dziś w medycynie EEG używa się przede wszystkim jako wstępnego badania w zakresie takich problemów jak epilepsja czy zaburzenia snu.

EEG jest też podstawą technik biofeedbacku, mających zwykle nauczyć pacjenta lepszej relaksacji. Ponieważ jest ona powiązana z wolniejszymi falami mózgowymi, dość łatwo można zaprojektować system, który w oparciu o kilka elektrod będzie pozwalał pacjentowi zweryfikować na ile już jest zrelaksowany i co przynoszą jego postępy.

Zalety:

• nieinwazyjna technika pozwalająca obserwować mózg w działaniu
• niewielkie koszta, pozwalające na masowe jej stosowanie
• stosunkowo niezbyt ograniczająca mobilność, dzięki czemu możemy badać ludzi także w trakcie aktywności fizycznej, pracy, w różnych pozycjach, itp.
• wyniki relatywnie proste do interpretacji w zakresie ogólnego funkcjonowania mózgu
• wysoka czułość czasowa – może wykryć bardzo krótkotrwałe zmiany

Wady:

• mierzy w zasadzie wyłącznie aktywność na powierzchni, co mówi nam tylko trochę o mózgu
• uzyskane dane są bardzo ogólne, pozwalają nam powiedzieć co nieco o skali aktywności i jej miejscu, ale nie mamy praktycznie żadnej wiedzy o jej rodzaju. Nie wiemy na przykład, czy ktoś reaguje ekscytacją, czy raczej strachem i niechęcią. (Choć niekiedy bywa to nieuczciwie przedstawiane w ten sposób.

Podsumowując EEG jest tanie, wygodne, ale nie pozwala nam zgłębić tego, co faktycznie działa.

MEG – magnetyczna encefalografia

Wariant technologii wykorzystanej w EEG, mierzącej zmiany elektryczne pola magnetycznego w mózgu. Pomiar jest nieco ograniczony, gdyż wymaga specyficznych zestawów neuronów – wystarczająco licznych i położonych tak, by ich pole magnetyczne wykraczało poza czaszkę. W zamian za to oferuje większą czułość, niż zwykłe EEG.

Zalety:

• Czulsza i trafniejsza niż EEG, przy zachowaniu jej zalet.
• Szybsze niż fMRI (dobrze łączy się z tą metodą)

Wady:

• Pozwala na pomiar nawet mniejszej ilości obszarów niż EEG
• Dużo mniejsza mobilność osoby badanej niż w wypadku EEG.

CT Scan/ Tomografia komputerowa

Technologia odwzorowująca strukturę mózgu poprzez poddanie głowy działaniu promieni Roentgena z z różnych źródeł i połączeniu tak uzyskanych zdjęć. Pozwala uzyskać obraz mózgu, także głębszych jego struktur, ale nie jego funkcjonalności.

Zalety:

• Sięga głębokich struktur, pozwala dobrze zmapować mózg.

Wady:

• Wykorzystywane promieniowanie realnie, choć tylko odrobinę, zwiększa ryzyko nowotworu.
• Widzimy tylko statyczny obraz mózgu.

---

Przerwa na reklamę ;)

---

---

Wracamy do artykułu :)

---

PET (w Polsce PTE – Positron Emission Tomography/ Pozytronowa Tomografia Emisyjna)

Wynaleziona w połowie XX wieku technologia PET polega na podaniu do organizmu biologicznie aktywnej substancji (najczęściej cukru) znakowanej promieniotwórczym izotopem. (Tak, podają Ci coś radioaktywnego. Substancja ta jednak szybko ulega rozpadowi, więc uszkodzenia komórek są minimalne.) Substancja ta krąży po organizmie, a specjalne detektory wychwytują zmiany pola elektromagnetycznego wynikającego z kolejnych rozpadów. Technologia wykorzystywana skutecznie m.in. do diagnozowania alzhaimera i demencji.

Zalety:

• Daje nam informacje o działaniu mózgu w czasie rzeczywistym, na poziomie tak płytkich, jak głębokich struktur. (Bardziej aktywne części mózgu dostają więcej krwii bogatej w cukry, w tym w cukry zawierające mierzony izotop. Niekiedy używa się też izotopu tlenu, co daje jeszcze pełniejszy obraz.)
• Lepsza rodzielczość niż tomografia komputerowa.
• Osoba badana może się w umiarkowanym stopniu ruszać w trakcie badania (np. czytać na głos listę słów), co nie jest możliwe w fMRI.

Wady:

• Używanie substancji promieniotwórczej (choć ponad 50 lat stosowania metody nie przyniosło żadnych dowodów na jej szkodliwosć)
• Wysoki koszt – oprócz samego skanera PTE potrzebujemy też cyklotronu do tworzenia izotopów używanych w badaniu.
• Niska mobilność osoby badanej w porównaniu z EEG.
• Niska rozdzielczość uzyskanych wyników w porównaniu z fMRI.

fMRI – functional Magnetic Resonance Imagining/ funkcjonalne obrazowanie rezonansem magnetycznym

Osoba badana fMRI zostaje umieszczona w ogromnym elektromagnesie, który mierzy bardzo delikatne zmiany pola magnetycznego w jej organizmie. Zmiany tak delikatne, jak te zwiazane z natężeniem krwii oraz różnicą między krwią utlenioną i tlenu pozbawioną – które to kwestie są istotnymi znacznikami aktywności mózgu. Następnie różnice te poddane są ogromnej liczbie matematycznych przekształceń i abrakadabra, wyliczone jest z tego dokładnie co dzieje się w mózgu osoby badanej.

W doświadczeniu praktycznym fMRI polega na tym, że leżysz w niezbyt obszernej „kapsule”, w której hałas jest taki, że mimo wyciszających słuchawek masz wrażenie, jakby za ścianą sąsiedzi w cementowych zbrojach pojedynkowali się na wiertarki udarowe skrzyżowane z młotami pneumatycznymi. (Swoją drogą, zapłaciłbym za obejrzenie takiego pojedynku.) I masz tak nieruchomo leżeć przez kilkadziesiąt minut. Mało przyjemne doświadczenie, mnie przynajmniej solidnie bolała potem głowa – ale warto było z samej ciekawości.

fMRI jest obecnie najczulszą przestrzennie techniką jaką mamy, a jego czułość będzie jeszcze rosła wraz z rozwojem technologii. Ma też niestety liczne ograniczenia.

Zalety:

• Najbardziej czuła metoda, dająca najpełniejszy obraz aktywnego działania mózgu.
• Duży potencjał rozwojowy.
• Wyraźnie tańszy niż PET.

Wady:

• Mniejsza czułość czasowa niż MEG – szybsza aktywność nie zostanie wychwycona.
• To wielki elektromagnes – osoby mające w sobie cokolwiek metalowego nie mają wstępu.
• Osoba badana musi pozostać jak najbardziej nieruchoma. Nawet nadmierne ruchy szczęką przy mówieniu mogłyby zaburzyć pomiar (choć jest to stopniowo obchodzone).
• Technologia ta, podobnie jak wszystkie pozostałe, wciąż nie jest pozbawiona niedoskonałości czy uproszczeń.

Dla uproszczenia nie wyróżniam tu już technik takich jak VBM (Voxel-Based Morphometry) czy DTI (Diffusion Tensor Imaginig) – dla specjalisty techniki te będą się istotnie różniły od fMRI, ale w dużym uproszczeniu można je zaliczyć do jednej grupy metod opartych o rezonans magnetyczny, z jego zaletami i wadami.

TMS – Transcranial Magnetic Stimulator, Przezczaszkowy Stymulator Magnetyczny

Pamiętasz może, że w pierwszej części artykuły wskazywałem jak to pierwsi badacze mózgu mieli do wyboru obserwowanie martwych mózgów ludzi z określonymi zaburzeniami, albo eksperymenty z modyfikacją mózgu na żywych zwierzętach? I jak później doszło do tego ewentualne pobudzanie mózgów ludzi w trakcie przygotowań do operacji epilepsji, ale tylko zewnętrznych struktur?

Cóż, dziś mamy technologię pozwalającą, w umiarkowanym stopniu, na eksperymenty na głębokich strukturach mózgów żywych ludzi. Pozwalającą odkryć co się stanie, jeśli tymczasowo pobudzimy lub zablokujemy jeden konkretny obszar mózgu.

Tą technologią jest TMS, zabawka która – moim zdaniem – za kilkadziesiąt lat będzie podstawowym wyposażeniem każdego psychoterapeuty czy coacha.

TMS generuje zlokalizowane pola magnetyczne, także w głębi mózgu, które to pola pozwalają aktywować, lub przeciwnie, blokować aktywność, wybranych struktur. Eksperymenty z użyciem TMS pozwoliły między innymi na tymczasowe uzyskanie efektów „genialnych idiotów” – tzw. sawantów – u osób neurotypowych.

Potencjał TMS w badaniach mózgu jest ogromny – technologia ta jest cudownie nieinwazyjna, a jednocześnie umożliwia weryfikację ogromnej ilości potencjalnych scenariuszy. Np. co się stanie, jak wyłączymy komuś tymczasowo obrzydzenie – czy zwiększy to, czy zmniejszy empatię tej osoby? A co z kolorowym widzeniem? Oczywiście, w zakresie tej technologii jest bardzie wiele do dopracowania, ale jestem niezwykle podekscytowany jej możliwościami. Już dziś jest aktywnie wykorzystywana w leczeniu lekoodpornej depresji, jako bezpieczniejsza – bo nie wymagająca znieczulenia i nie wywołująca tymczasowej amnezji – alternatywa do elektrowstrząsów.

Zalety:

• zupełna nieinwazyjność
• możliwy zakres testowania
• ogromny potencjał aktywnych eksperymentów

Wady

• daje informacje behawioralne, natomiast nie pozwala obserwować tego co się dzieje w mózgu
• wciaż technologia eksperymentalna i rozwijana

I to chyba wszystko, jeśli chodzi o przegląd współczesnych technik badania mózgu. W trzeciej i ostatniej na razie części cyklu przyjrzymy się nieco temu, co z tego wszystkiego wynika – co faktycznie możemy powiedzieć o mózgu, czego nie, jakie są ograniczenia takich pomiarów, itp.

---

---