Kiedyś jedynym sposobem, aby dowiedzieć się, jaką rolę odgrywa określona część mózgu była obserwacja pacjenta z uszkodzonym lub chirurgicznie usuniętym konkretnym jego fragmentem oraz późniejsza sekcja pośmiertna. Była to pośrednia droga wnioskowania o funkcji pełnionej przez dany obszar mózgu. Przełom w badaniach przyszedł wraz z wynalezieniem i zastosowaniem współczesnych technologii. Pozwoliły one nareszcie przyjrzeć się pracującemu mózgowi, czyli mózgowi żywego człowieka. Stworzyło to badaczom szansę obserwacji jego pracy niejako „na bieżąco” podczas wykonywania określonych operacji umysłowych.
Dziś nie musimy opierać się na sekcjach post mortem. Mamy do dyspozycji wiele metod badania mózgu, dzięki którym można badać rolę poszczególnych jego obszarów za życia pacjenta oraz u ludzi zdrowych, z nieuszkodzonym mózgiem. Niektóre z nich to elektroencefalografia (EEG), pozytynowa tomografia emisyjna (PET), przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) oraz funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI). Do wyjaśnienia wielu zagadnień z zakresu funkcjonowania mózgu w szczególny sposób przyczyniło się zastosowanie w badaniach metod neuroobrazowania. PET czy fMRI są metodami umożliwiającymi, przy stosunkowo dobrej rozdzielczości przestrzennej, lokalizację obszarów aktywnych podczas przeprowadzania określonych operacji w mózgu osoby badanej.
Mózg w polu magnetycznym
Funkcjonalny rezonans magnetyczny opiera się na magnetycznych właściwościach atomów, z których zbudowane są nasze komórki. Ściślej mówiąc, jądra atomów posiadające słabe właściwości magnetyczne po umieszczeniu w polu magnetycznym zachowują się jak mikroskopijne magnesy. Jądrowy rezonans magnetyczny (jak niegdyś nazywano tę metodę) jest bowiem absorpcją fal elektromagnetycznych o częstotliwości radiowej przez jądra atomowe substancji stałych, ciekłych lub gazowych, o momencie magnetycznym różnym od zera pod wpływem stałego pola magnetycznego.
Badanie rezonansem polega na tym, że osobę badaną umieszczamy w skanerze, wytwarzającym bardzo silne (choć nieszkodliwe dla organizmu) pole magnetyczne, a następnie rejestrujemy zmiany w zorientowaniu magnetycznym atomów w poszczególnych częściach mózgowia. Widocznym tego efektem są różne odcienie szarości poszczególnych obszarów w „czarno-białym” obrazie mózgu po przetworzeniu sygnału przez komputer. Dlaczego na podstawie sygnału ze skanera możemy uzyskać informację, które obszary są bardziej aktywne podczas wykonywania określonego zadania? Aktywne obszary mózgu mają większe zapotrzebowanie na tlen. Zapotrzebowanie to wzrasta, w obszarach, które są zaangażowane w wykonywanie typowego dla nich zadania, takiego jak np. mówienie, zapamiętywanie czy poruszanie ręką. Wiadomo bowiem, że intensywnie pracujące komórki nerwowe wymagają większych ilości tlenu, niezbędnego do uzyskiwania energii. Za jego transport wraz z krwią do komórek odpowiedzialne jest białko - hemoglobina. Różnica w sygnale rejestrowanym przez skaner między obszarami aktywnymi i nieaktywnymi bierze się stąd, że hemoglobina transportująca tlen posiada inne właściwości magnetyczne niż jej forma niezwiązana z tlenem. W efekcie w pobudzonych obszarach znajduje się nieco więcej tej pierwszej, będącej właśnie źródłem silniejszego sygnału rejestrowanego przez aparaturę.
Mózg człowieka. Na niebiesko zaznaczono płat czołowy, na żółto - ciemieniowy, na zielono - skroniowy, na różowo - potyliczny. Źr. Wikipedia.Pozytonowa tomografia emisyjna mierzy z kolei zmiany w wielkości przepływu krwi przez określone okolice mózgu lub w poziomie metabolizmu, które są proporcjonalne do aktywności tkanki nerwowej. Kiedy jakiś obszar w mózgu jest zaangażowany w wykonywanie zadania, potrzebuje do tego większych ilości energii, której źródłem jest glukoza. Dociera ona do tych obszarów wraz z krwią i tam jest zużywana. Aby zaobserwować, gdzie dotarło jej więcej oznacza się ją w taki sposób, aby była widoczna w skanerze PET. Oznaczanie glukozy odbywa się poprzez podawanie do krwi w regularnych odstępach czasu tzw. markera. Marker to substancja radioaktywna, która sprawia, że cząsteczki znakowanej glukozy wysyłają kwanty promieniowania gamma, które jest następnie rejestrowane przez system elektronicznych detektorów. Dzięki temu możliwa jest lokalizacja aktywnych struktur.
Czas na zadanie i czas na odpoczynek
Aby właściwie interpretować i rozumieć znaczenie wyników pochodzących z badań z wykorzystaniem technik neuroobrazowania trzeba mieć na uwadze przede wszystkim fakt, że wykonanie każdego, nawet najprostszego zadania angażuje równocześnie wiele struktur i wymaga skomplikowanych interakcji pomiędzy różnymi obszarami. Nasz mózg nieustannie jest aktywny, równolegle w bardzo wielu rejonach. Zatem lokalizacja struktur odpowiedzialnych za poszczególne procesy mózgowe jest możliwa dzięki odpowiedniemu dobraniu tzw. warunku kontrolnego (spoczynkowego). Badacz porównuje aktywność mózgu uzyskaną z dwóch sytuacji: zadaniowej i kontrolnej. Dobrane są one tak, że różnią się między sobą tylko jednym komponentem: badanym procesem. Po „odjęciu” od siebie tych obrazów otrzymuje się aktywność mózgu związaną z wpływem tego właśnie procesu. Jeśli eksperymentator jest zainteresowany na przykład neurobiologicznym podłożem wykonywania określonego ruchu ręką, skontrastuje on aktywację mózgu podczas takiego ruchu z pobudzeniem neuronalnym w sytuacji, gdy badany nie porusza ręką.
Co nam daje neuroobrazowanie?
Nie sposób przecenić możliwości, jakich dostarcza nam zastosowanie nowoczesnych metod w badaniach ludzkiego mózgu. Metody neuroobrazowania zajmują wśród tych nowoczesnych technologii miejsce szczególne. Przy odpowiednim zaprojektowaniu eksperymentu i dobraniu osób badanych możemy studiować niezwykle szerokie spektrum procesów mózgowych. Co więcej, uzyskanie obrazów struktury mózgu, konieczne w przypadku obu metod, umożliwia również badanie anatomicznych korelatów różnic między badanymi populacjami lub poszczególnymi osobami. Przy obecnym zaawansowaniu narzędzi i procedur do analizy danych, możliwa jest obróbka danych pochodzących nawet z mózgów poważnie uszkodzonych w wyniku wylewu czy chirurgicznej interwencji. A zatem neuroobrazowanie pozwala na badanie podłoża tych samych procesów mózgowych zarówno w populacji pacjentów neurologicznych, jak i ludzi zdrowych. Co również ważne, takie badanie czynnościowe mózgu ma ogromne znaczenie diagnostyczne w sytuacji planowanej operacji neurochirurgicznej. Zlokalizowanie w mózgu pacjenta obszaru krytycznego dla wybranych istotnych funkcji (takich jak np. mówienie) pozwala prognozować ewentualne skutki przyszłej operacji mózgu. Potem zaś można śledzić zmiany funkcjonalne, jakie następują w wyniku usunięcia określonych obszarów czy przecięcia połączeń pomiędzy nimi.
Kora somatosensoryczna. Źr. Wikipedia.Dzięki badaniom z użyciem fMRI wiemy, że uszkodzenie w obrębie określonego obszaru funkcjonalnego w jednej z półkul skutkuje wyraźnym wzrostem pobudzenia w półkuli nieuszkodzonej. Jest to pobudzenie wywołane najprawdopodobniej głównie redukcją wpływów hamujących pochodzących z uszkodzonej półkuli oraz intensywnym używaniem zdrowej półkuli. Steven Cramer z University of California Irvine Medical Center w USA potwierdził występowanie tego typu zmian mózgowych w badaniach klinicznych z udziałem pacjentów po jednostronnym udarze mózgu. Część badaczy uważa tę poudarową nadaktywność po zdrowej stronie za przejaw plastyczności, kompensującej deficyty wynikające z ubytków nauronalnych po uszkodzeniu. Inni zaś twierdzą, że po uszkodzeniu na skutek rywalizacji międzypółkulowej nadmierna aktywacja nieuszkodzonej półkuli ma niekorzystny wpływ na odzyskiwanie swoich funkcji przez półkulę dotkniętą udarem.
Badania kliniczne z użyciem neuroobrazowania przeprowadzone w University of Minnesota w USA przez Jamesa Careya i jego współpracowników istotnie wykazały, że długotrwała, utrzymująca się aktywacja zdrowej półkuli podczas wykonywania zadań ruchowych przez pacjenta, idzie w parze z wyraźnie słabym rezultatem rehabilitacji. Z kolei wraz z poprawą funkcji motorycznych obserwuje się spadek aktywności w zdrowej półkuli połączony ze wzrostem aktywności w półkuli dotkniętej udarem. Z tego powodu, uzasadnione wydaje się być podejście, zgodnie z którym redukcja hamowania skierowanego do półkuli uszkodzonej może sprzyjać odzyskiwaniu funkcji ruchowych. Wnioski płynące z tych badań stały się punktem wyjścia do opracowanych i stosowanych obecnie terapii skierowanych na regulację czasowego przebiegu zmian w międzypółkulowych oddziaływaniach po udarze.
Plastyczność mózgu
A ponieważ neuroobrazowanie pozwoliło wyjść badaczom poza klinikę, od lat studiuje się zagadnienie neuroplastyczności funkcjonalnej na ludziach zdrowych. Należy w tym celu mózg zdrowego ochotnika poddać odpowiedniej stymulacji, wpływom czynników zewnętrznych. Okazuje się, iż wystarczy 40 minut zsynchronizowanej stymulacji palców dłoni czy równie krótkotrwały trening synchronicznych ruchów kciuka i stopy, aby wywołać korową reorganizację w obszarach czuciowo-ruchowych, co zademonstrował Benjamin Godde z zespołem z Institute of Medical Psychology and Behavioral Neurobiology w Tübingen w Niemczech. Na podstawie tych i podobnych doniesień postuluje się istnienie mechanizmów tego rodzaju reorganizacji funkcjonalnej mózgu, opierających się raczej na zmianach w reaktywności neuronalnej, nie zaś zmianach anatomicznych.
Równie interesujące są wyniki badań, pokazujące związek występowania zmian plastycznych z nabywaniem nowych umiejętności. Trening zadania ruchowego angażuje określone grupy mięśni. Zaangażowanie mięśni jest większe, gdy czynność jest skomplikowana, nowa, wymagająca dużej precyzji ruchów, czego odzwierciedleniem są zmiany w korze. Jeżeli używamy intensywnie jakichś mięśni, to ich mózgowe reprezentacje powiększają się kosztem rejonów sąsiednich w korze mózgowej. Badania fMRI wykazały, że po czterotygodniowym treningu sekwencyjnych ruchów palców, rozmiar obszarów kory aktywowanych przez wykonanie tej sekwencji ruchowej powiększa się.
Zainteresowanie neurobiologów nie ogranicza się wyłącznie do funkcji ruchowych. Przy pomocy technik neuroobrazowania studiuje się takie zagadnienia jak podłoże emocji, procesów decyzyjnych, uwagi, pamięci, mowy, zdolności wzrokowo-przestrzennych, uzależnień i wiele innych. Obecnie niektórym z nich towarzyszą ożywione debaty związane z możliwymi zastosowaniami ich wyników. Dotyczy to choćby danych z neuroobrazowania procesów pamięciowych. Wykazano na przykład, że tzw. fałszywe wspomnienia (przypominanie sobie zdarzeń, które w rzeczywistości nie miały miejsca) jest związane z asymetryczną aktywacją mózgu w korze skroniowej lewej półkuli mózgu. Przedmiotem dyskusji jest obecnie problem, na ile wyniki takich badań można wykorzystać np. w psychologii sądowej podczas weryfikacji wiarygodności zeznających świadków. Podobnie dyskusyjna jest sugestia, aby podjąć próby wykorzystania metod neuroobrazowania w charakterze nowoczesnych wariografów. Są bowiem dane z badań dotyczących neurobiologicznych korelatów kłamstwa. Problematyczne jednak jest to, jakie „zadania” musieliby wykonywać podczas skaningu mózgu przesłuchiwani świadkowie, aby móc obiektywnie stwierdzić, czy ich zeznania są prawdziwe, czy też kłamią jak z nut.
Mózg. Na rózowo zaznaczono płat czołowy, na zielony - ciemieniowy, a na niebiesko - potyliczny.Plusy i minusy
Niewątpliwą zaletą metody fMRI jest jej bezinwazyjność. Do krwi osoby badanej nie podaje się żadnych znaczników (jak w przypadku PET) ani innych substancji mogących ingerować w funkcjonowanie organizmu. Pole magnetyczne stosowane w badaniu fMRI jest nieszkodliwe dla tkanek. Nie należy jednakże zapominać o wadach i ograniczeniach w stosowaniu tych metod. Zarówno fMRI i PET charakteryzuje dość słaba rozdzielczość czasowa w porównaniu z rejestracją procesów neuronalnych za pomocą EEG, obie metody neuroobrazowania przewyższają jednak EEG pod względem rozdzielczości przestrzennej. Badanie PET pozwala na rejestrację obrazu aktywności mózgu z dokładnością do ok. 1 centymetra sześciennego, natomiast rozdzielczość przestrzenna fMRI to nawet kilkanaście milimetrów sześciennych. Najlepszym wyjściem jest prowadzenie badań za pomocą różnych komplementarnych względem siebie metod, co przy obecnym rozwoju technologii staje się możliwe. Kombinacja neuroobrazowania z elektroencefalografią pozwala uzyskać informację o podłożu badanych procesów z dużą dokładnością zarówno przestrzenną jak i czasową.
Niewątpliwą bolączką naukowców jest to, że obie metody neuroobrazowania są wciąż stosunkowo drogie w stosowaniu, szczególnie PET. Mankament ten decyduje o niewielkiej ich dostępności do badań naukowych w Polsce. Nie bez znaczenia są także inne ograniczenia. Najważniejsze przeciwwskazania to klaustrofobia i – w przypadku fMRI – obecność ferromagnetycznych elementów w organizmie, szczególnie w głowie. Z tego względu nie wolno badać rezonansem osób posiadających sztuczny rozrusznik serca, klipsy po tętniakach w mózgu, śruby w kościach, itp. Wszystko to wyklucza z eksperymentów naukowych sporą grupę kandydatów na badanych. Innym ważnym ograniczeniem, tym razem dotyczącym techniki PET, jest inwazyjność metody. Ze względu na radioaktywny charakter markerów podawanych do krwi, naukowcy stosujący tę metodę bardzo niechętnie poddają takim badaniom kobiety, szczególnie młode.
Małgorzata Gut
POSŁUCHAJ AUDYCJI - mp3 (19,2 MB)
PRZECZYTAJ również artykuł Marii-Magdaleny Weker "Jak badano mózg" o historii badań nad tym organem.
