forumsklepmapakontakt

głównakognitywistykaencyklopedianauki o mózguSI i robotykaartykułyksiążkiz krajuwydarzenialinkio stroniepomoc
baner

Przejdź niżej

_

Przejrzyj dział

_

Dorobek Redakcji strony

Marek Kasperski
okładka2007, konsultacja merytoryczna: D. Casacuberta, Umysł. Czym jest i jak działa, Świat Książki.

_

okładka2006, redakcja merytoryczna: T. Stafford, M. Webb, 100 sposobów na zgłębienie tajemnic umysłu, Onepress.

_

okładka2005, redakcja merytoryczna: J. Hawkins, S. Blakeslee, Istota inteligencji, Onepress.

_

okładka2003, książka autorska: M. Kasperski, Sztuczna Inteligencja, Helion, (nakład wyczerpany).

_

Tomasz Komendziński
okładkaredaktor pisma: "Theoria et Historia Scientiarum. An International Interdisciplinary Studies".

_

okładka2003, redakcja: O myśleniu procesualnym: Charles Hartshorne i Charles Sanders Peirce, Wyd. UMK.

_

okładka2002, redakcja merytoryczna: S. Pinker, Jak działa umysł, Książka i Wiedza.

_

okładka2002, redakcja wraz z A. Szahajem: Filozofia amerykańska dziś, Wyd. UMK.

_

Leszek Nowaczyk
2006, redakcja merytoryczna: Rusz głową -  jak szybko podnieść poziom swojej inteligencji, Świat Książki.
_

 

 
Tu jesteś: nauki o mózgu / metody badań

_

10 sierpnia 2010
ostatnia modyfikacja

rysunek.

badania neuropsychologiczne

Neuropsychologia wyrosła na pograniczu psychologii klinicznej i neurologii. Jej priorytetowym zadaniem jest analiza konsekwencji uszkodzenia mózgu danego człowieka. Można wyróżnić dwa istotne czynniki leżące u źródła rozwoju tej dyscypliny. Jednym z nich był wzrost pod koniec XIX wieku opisów zaburzeń procesów poznawczych (wówczas jeszcze tak nie określanych) w wyniku ogniskowego uszkodzenia mózgu. Drugim czynnikiem był rozwój metod psychometrycznych w psychologii, czyli mówiąc ogólnie – wynalezienie testów psychologicznych. Neuropsychologia wypracowała w praktyce procedury umożliwiające dosyć trafne wnioskowanie o lokalizacji uszkodzenia mózgu w konkretnym przypadku, które służyły medycynie aż do czasu wprowadzenia tomografii komputerowej w latach 70. XX wieku. W teorii zaś neuropsychologia:

“ze względu na swą treść, różni się (…) od innych działów nauk neurologicznych tym, że jej przedmiotem nie są ani ukryte mechanizmy molekularnych lub biochemicznych podstaw czynności nerwowych, ani różnicowanie morfologiczne i ewolucja układu nerwowego, ani też fizjologiczne mechanizmy procesów nerwowych, lecz rola, jaką poszczególne struktury układu nerwowego odgrywają w organizowaniu czynności psychicznych człowieka.” [11]

Tak więc w tym sensie cognitive neuroscience stanowi naturalną konsekwencję rozwoju neuropsychologii. Studia przypadków opisane przez wczesnych neurologów i neuropsychologów dostarczyły najistotniejszych ram dla wiedzy o relacji między mózgiem a umysłem, które właściwie po dziś dzień stanowią punkt wyjścia. Badania neuropsychologiczne zazwyczaj prowadzone są metodami psychometrycznymi, gdzie osoby badane rozwiązują różnej maści zadania typu papier-ołówek, wypełniają kwestionariusze, udzielają odpowiedzi na specjalnie opracowane pytania, a czasem też i rozwiązują określone problemy z wykorzystaniem czynności manualnych na dostarczonych przedmiotach. Można używać również zadań komputerowych, co wówczas pozwala na dokładny pomiar czasów reakcji. Część tych metod jest wystandaryzowana, a więc ujednolicona dla każdego pojedynczego użycia. Dzięki temu możliwe jest porównywanie wyników tych zadań między różnymi osobami badanymi. Znaczne podobieństwo metod sprawiło, że psychologowie poznawczy zainteresowali się możliwością weryfikacji swoich teorii na takim, klinicznym gruncie.

Zasadniczy schemat badań polega tutaj na dokładnym opisaniu przyczyn i lokalizacji uszkodzenia, zaś następnie na dokonaniu pomiaru procesów poznawczych. Na tej podstawie wnioskuje się o wpływie danego uszkodzenia na stan procesów poznawczych, co umożliwia tworzenie hipotez o znaczeniu uszkodzonej struktury mózgu dla funkcjonowania umysłu. Przykładowo, pacjenci cierpiący na chorobę Alzheimera, przynajmniej we wczesnym jej stadium, mają duże trudności z uczeniem się nowych informacji, podczas gdy nowe umiejętności i procedury percepcyjno-motoryczne nie stanowią dla nich żadnych trudności. Dokładnie odwrotny profil zaburzeń zaobserwowano w przypadku pacjentów cierpiących na chorobę Parkinsona. Ponieważ w obu przypadkach uszkodzenie mózgu obejmuje inne struktury, na podstawie tych badań wnioskuje się o istnieniu przynajmniej dwóch, względnie niezależnych systemów pamięci, mających odmienne mechanizmy mózgowe i prawdopodobnie też odmienną historię ewolucyjną. Warto przy tej okazji zwrócić uwagę, że choć wnioski z badań neuropsychologicznych stanowią podstawę wiedzy o relacjach między mózgiem a umysłem, to badania takie są niezwykle skomplikowane z metodologicznego punktu widzenia. Zazwyczaj nie ma możliwości dokonania pomiaru procesów poznawczych przed uszkodzeniem, jak też badania grupowe wymagają obniżenia standardów w porównaniu do innych dziedzin psychologii, gdzie bez trudu można zbadać np. 500 studentów tworzących w miarę jednolitą grupę. Mimo to, neuropsychologia dostarcza najpełniejszego wglądu w naturę uszkodzenia mózgu, jak i stan procesów poznawczych, zwłaszcza tych bardziej złożonych. Obecnie przyjmuje się, że badanie neuropsychologiczne generalnie ma na celu ocenę stanu procesów poznawczych bez względu na to, na co choruje i czy w ogóle choruje osoba badana.

 

_

badania psychofizjologiczne

_

Na styku neuropsychologii i psychofizjologii prowadzi się badania nad wpływem hormonów na procesy poznawcze. Szczególnie interesujące są zmiany w procesach poznawczych wywołane zmianami stężenia hormonów, np. w trakcie cyklów dobowych, czy menstruacyjnych. Przedmiotem zainteresowania są także wzorce dermatoglifów (tj. odcisków palców). Dermatoglify kształtują się między 8 a 16 tygodniem życia płodowego i później pozostają już niezmienne. Okazuje się, że większość homoseksualnych mężczyzn posiada rowki na opuszkach palców skierowane w lewo, w porównaniu do mężczyzn homoseksualnych. Liczba rowków na palcach lewej i prawej ręki nie różnicuje tych grup [8]. Liczba rowków na prawej i lewej jest związana natomiast z odmiennym wzorcem wyników w zadaniach poznawczych. Osoby mające więcej rowków na prawej ręce lepiej rozwiązują pewne zadania, inne zaś gorzej, podczas gdy osoby mające więcej rowków na lewej ręce uzyskują odwrotne wyniki – lepiej radzą sobie z tymi zadaniami, z którymi tamta grupa sobie radziła gorzej. Początkowo uczeni chcieli wykazać, że różnica ta dotyczy tych zadań, które różnicują kobiety i mężczyzn, jednak nie wszystkie z zadań typowo „męskich” (jak zadania wzrokowo-przestrzenne w tym przypadku), czy zadań typowo „żeńskich” różnicują te dwie grupy [10]. W tego typu badaniach zakłada się, że skoro wzorzec odcisków palców kształtuje się wcześnie w rozwoju prenatalnym, różnice w procesach poznawczych, jak i między osobami o różnej orientacji seksualnej, mogą wynikać z wpływu czynników kształtujących mózg i inne struktury płodu w tym okresie życia.

„Twarda”, czy też „właściwa” psychofizjologia zajmuje się natomiast badaniem odpowiedzi fizjologicznych organizmu wywołanych zmianami procesów poznawczych. Plan eksperymentalny jest tutaj jakby przeciwny niż w neuropsychologii – psychologowie manipulując czynnikami natury psychologicznej obserwują ich konsekwencje w układzie nerwowym, który steruje różnymi mierzalnymi procesami fizjologicznymi. Do najbardziej typowych wskaźników można zaliczyć szerokość źrenicy (pupilometria), ruchy oczu (okulografgia), ciśnienie krwi, akcję serca (tzn. uderzenia na minutę, ang. heart rate, HR), aktywność elektryczną mięśni (elektromiografia, EMG), aktywność elektryczną skóry (tzn. jej oporność i przewodność, ang. electrodermal activity, EDA; kiedyś określaną także mianem reakcji skórno-galwanicznej GSR), a wreszcie i aktywność elektryczną mózgu rejestrowaną na skórze czaszki (elektroencefalografia, EEG). Na gruncie psychofizjologii odkryto wiele niezmiernie interesujących zjawisk. Przykładowo, w latach 60., kiedy pokazywano osobom badanym krótki ciąg cyfr, jaki miały na chwilę zapamiętać, źrenice ich oczu stopniowo się rozszerzały. Kiedy osoby badane po zakończeniu prezentacji zaczęły odpamiętywać te cyfry, szerokość źrenic stopniowo wracała do stanu wyjściowego. Dekadę później ustalono, że zmiany szerokości źrenicy są większe, kiedy musimy sobie coś przypomnieć (swobodne przywołać informacje z pamięci bez żadnych podpowiedzi), niż kiedy tylko mamy coś rozpoznać (zidentyfikować właściwą informację spośród kilku możliwych). Taki wynik jest tym bardziej interesujący, bowiem pewne koncepcje poznawcze postulują, że proces odpamiętywania nie jest jednolity i czymś innym jest przypominanie a czymś innym jest rozpoznawanie [2]. W tym miejscu odstąpimy od omawiania psychofizjologii jako takiej i wszystkich wymienionych powyżej metod, skupiając uwagę w następnych paragrafach na najbardziej charakterystycznych.

 

_

badania neuroobrazowe: ERPy

_

Metoda potencjałów skojarzonych ze zdarzeniem (ang. event-related potentials, ERP), nazywana jest również w uproszczeniu potencjałami wywołanymi (ang. evoked potentials), lub po prostu EPRami. Są one są uśrednionym zapisem EEG dokonywanym w bardzo wielu próbach, mających wręcz identyczny przebieg. W tym czasie osoba badana jest wystawiona na działanie jakiegoś bodźca, czy nawet jest postawiona w warunku dokonywania prostych operacji umysłowych. W wyniku procesu uśredniania, otrzymywany jest zapis fali przebiegu zmian napięcia w czasie, będącej wynikiem przetwarzania przez mózg podawanego bodźca, czy wykonywanego procesu poznawczego. Pozostała aktywność mózgu rejestrowana przez EEG zostanie zniesiona – po prostu w tym sensie jest ona przypadkowa i arytmetycznie usuwa się sama z zapisu.

Możliwość rejestracji EEG i ERP budzi największe zainteresowanie, jako że jest bezpośrednim efektem aktywności mózgu. Umożliwia wychwytywanie zmian w tej aktywności rzędu milisekund. Postępujące kolejno po sobie zmiany amplitudy zapisu, a więc wychylenia wykresu ERP (tzw. załamki – komponenty) odpowiadają kolejnym etapom przetwarzania informacji w układzie nerwowym. Ma to szczególne znaczenie w diagnostyce medycznej, pozwalając udzielić odpowiedzi na pytanie, czy np. uszkodzenie słuchu ma miejsce na poziomie ślimaka, pnia mózgu, czy kory. Szacuje się, że w okresie 0 – 10 ms. po podaniu bodźca słuchowego ujawniane są komponenty pochodne z aktywności kolejnych okolic pnia mózgu na drodze słuchowej. Najprawdopodobniej 15 - 100 ms. po podaniu bodźca „odzywa się” w zapisie pierwszorzędowa kora sensoryczna – w tym przypadku słuchowa. Uwidocznione do tego czasu komponenty stanowią prawie zawsze występujący standard, odzwierciedlają automatyczne i niezależne od woli przetwarzanie informacji, aczkolwiek amplituda i inne parametry potencjałów w okresie 100 ms. po bodźcu mogą być już zależne od procesów uwagi. Tym czasem późniejszy zapis odzwierciedla już to, co kora mózgu robi dalej z daną informacją. Jednakże na tym etapie trudno stwierdzić, która konkretnie okolica korowa jest związana z obserwowanymi w zapisie wychyleniami. Pomocna może być w tej sytuacji wiedza wyniesiona z badań prowadzonych innymi metodami.

Przykładem doświadczeń prowadzonych w tym kierunku mogą być wczesne prace dotyczące związku między pamięcią krótkotrwałą a pewnym komponentem zapisu ERP. Otóż kiedy bada się pamięć krótkotrwałą w taki sposób, iż najpierw prezentowany jest ciąg cyfr, zaś następnie tylko jedna cyfra z prośbą o ocenę, czy była ona w zestawie czy też nie (tzw. zadanie Sternberga), obserwuje się pozytywny komponent pojawiający się mniej więcej 300 ms. po bodźcu, którego dokładny czas latencji (czas kiedy pojawia się maksymalna amplituda załamka) pozytywnie koreluje z wielkością zestawu cyfr, a więc jest tym dłuższy, im więcej cyfr trzeba zapamiętać. Takie same właściwości wykazuje czas reakcji. Sugeruje to, że obie miary są wskaźnikiem procesu związanego ze skanowaniem pamięci – aby udzielić odpowiedzi, osoby badane muszą jak gdyby przejrzeć w umyśle ciąg pamiętanych cyfr i zajmuje to tym więcej czasu, im jest on dłuższy. Okazuje się również, że osoby starsze reagują wolniej niż osoby młodsze, tj. uzyskują istotnie dłuższe czasy reakcji. Takie różnice między osobami starszymi i młodszymi generalnie nie budzą kontrowersji. W pewnych badaniach przeprowadzonych z końcem lat 70. okazało się, że czas latencji omawianego załamka (nazywanego P300 lub P3) jest właściwie podobny w obu grupach wiekowych. Uznano wówczas, że choć osoby w starszym wieku są wolniejsze w porównaniu do ludzi młodych, przeszukują pamięć krótkotrwałą w takim samym tempie [2].

Co jest źródłem sygnału mierzonego przez elektrody na powierzchni głowy? Powszechnie wiadomo, że komórki nerwowe generują impulsy nerwowe transmitowane wzdłuż aksonu, mające charakter sygnału elektrochemicznego. Taki impuls nazywa się potencjałem czynnościowym (tzw. strzał neuronu) i jego konsekwencją jest uruchomienie procesów biochemicznych na synapsie, znajdującej się na końcu aksonu. Procesy te uwalniają neuroprzekaźniki, za pomocą których wywierany jest wpływ na inną komórkę. Potencjał czynnościowy jest generowany na wzgórku aksonalnym pod wpływem lokalnych zmian napięcia elektrycznego. Lokalne zmiany napięcia są odpowiedzą na aktywację miejscowych synaps przez aksony innych komórek. Mogą mieć charakter pobudzający (excitatory postsynaptic potential, EPSP) lub hamujący (inhibitory postsynaptic potential, IPSP). Dopiero odpowiedni poziom lokalnych, postsynaptycznych zmian pobudzeniowych, jeżeli dociera do wzgórka aksonalnego, jest w stanie wzbudzić potencjał czynnościowy. Obecnie uważa się, że zapis EEG/ERP nie może być pochodną potencjałów czynnościowych neuronów, a raczej odpowiada sumarycznym potencjałom postsynaptycznym, jakie powstają w obrębie dendrytów i ciał komórkowych w reakcji na stymulację synaps. Jest więc wynikiem przetwarzania informacji na wejściu i wewnątrz sporej grupy neuronów korowych. Potencjały czynnościowe można rejestrować jedynie po przez wprowadzenie elektrod do poszczególnych neuronów (ang. single-unit recordings). Potencjały postsynaptyczne określonej grupy neuronów również mogą być rejestrowane po przez implantację elektrod jako tzw. potencjały polowe (ang. local field potentials, LFP). Jednak te inwazyjne metody nigdy nie były i nie są stosowane przez psychologów, zaś ludzie są w ten sposób badani niezwykle rzadko, przy okazji pewnych zabiegów neurochirurgicznych.

Podobną metodą do EEG/ERP jest magnetoencefalografia (MEG), która jednakże rejestruje aktywność magnetyczną i ewentualnie magnetyczne potencjały wywołane. Aktywność magnetyczna powstaje w tych samych warunkach, co aktywność elektryczna (wynika to z praw fizyki) i rejestrowany przez MEG zapis jak i potencjały wywołane odpowiadają zapisowi EEG/ERP. Jest to bardzo skomplikowana technologia, również bardzo kosztowna, dlatego też jest nie jest stosowana powszechnie. Jednakże przeciwnie do techniki ERP w tym przypadku możliwa jest lokalizacja neuroanatomicznego źródła mierzonej aktywności. MEG oferuje również inne technicznie precyzyjniejsze rozwiązania, o których jednak wspominać już nie będziemy.

 

_

badania neuroobrazowe: PET

_

Obrazowanie emisji pozytronów, czy też tomografia pozytronowo-emisyjna (ang. positron emission tomography, PET), jest wykorzystywana do mapowania rejonów mózgu, które są związane z badaną aktywnością poznawczą. Metoda ta ma już znaczną historię za sobą i jeszcze za nim pojawiły się współczesne aparaty PET, zastosowanie miały prostsze rozwiązania.

Pod koniec II Wojny Światowej Seymour Kety prowadził badania nad możliwością uchwycenia zmian w przepływie krwi przez mózg w wyniku aktywności funkcjonalnej mózgu. Już na przełomie lat 50. i 60. Niels A. Lassen i David H. Ingvar opracowali metodę pomiaru lokalnego przepływu krwi (ang. regional cerebral blood flow, rCBF) przez mózg żywego człowieka. Metoda ta polegała na podaniu do krwioobiegu izotopu ksenonu, a następnie pomiarze emitowanego promieniowania przez pewną liczbę detektorów rozmieszczonych wokół głowy. Im więcej krwii przepływało w naczyniach krwionośnych w danej okolicy, tym intensywniejsze promieniowanie rejestrowały detektory nakierowane na tę okolicę. W ten sposób można było jakoś uchwycić przepływ krwii ale tylko w obrębie okolic korowych. Na przestrzeni lat 60. i 70. publikowano wiele prac pokazujących zmiany w przepływie krwi wywołane przez określoną aktywność mózgu, np. mówienie [13; 15]. Jeszcze w 1985 roku Roland i Friberg [14] opublikowali pracę z wykorzystaniem tej metody w obrazowaniu aktywności wywołanej przez myślenie. Roland i Friberg polecili swoim badanym wykonywać różne zadania poznawcze, np. seryjnie odejmować po 3, począwszy od 50. Pomiar promieniowania z 254 okolic korowych wyświetlano na ekranie monitora w postaci matrycy stosunkowo dużych pikseli o różnej intensywności. Obraz ten nałożono następnie na wystandaryzowany rysunek zarysu mózgu, aby móc jakoś odnieść otrzymane wyniki do struktur anatomicznych. Intensywność każdego z pikseli oznaczała poziom lokalnego przepływu krwi. Badacze wykazali, że różne procesy poznawcze związane były z różnym wzorcem aktywacji i w ten sposób otwarto drogę do bardziej precyzyjnych badań konkretnych procesów poznawczych. W latach 70. opracowano zasady tomografii komputerowej, dzięki którym można było otrzymać obrazy rożnych przekrojów mózgu na bazie zdjęć rentgenowskich czaszki. Te same zasady wprowadzono do bardziej zaawansowanych metod badania przepływu krwi – SPECT (tej techniki omawiać nie będziemy) oraz PET.

Wydaje się, że główny rozkwit zastosowania PET do badania umysłu miał miejsce w latach 80., kiedy to aparatura PET stała się dostępna komercyjnie. Przeciwnie do SPECT i wcześniej opisanego rozwiązania, w obrazowaniu PET podawana jest nie jakaś jedna, konkretna i obca substancja, ale izotop naturalnie występującego w organiźmie związku. Również sposób generowania i detekcji promieniowania jest tutaj nieco bardziej złożony. Po podaniu analogu tlenu, izotop ten zachowuje się w organiźmie identycznie jak prawdziwy tlen, wiąże się z krwią i wędruje w krwioobiegu. Opierając się na pomiarze radioaktywności w obrębie mózgu i w próbce krwi, określa się lokalny przepływ krwi przez mózg. Istnieje także możliwość określenia miejscowej objętości krwi i stopnia ekstrakcji tlenu z krwi do tkanki (rOEF), zaś na podstawie tego parametru - oszacowanie zużycia tlenu w procesach metabolicznych (CMRO2). Podobnie można określić zużycie glukozy w procesach metabolicznych mózgu (CMRGlu), ale wówczas osobie badanej podawany jest znakowany analog glukozy (glukoza jest substancją, jaką odżywiają się neurony). Przy wykorzystaniu innych izotopów można mapować nawet aktywność receptorycznych układów różnych neuroprzekaźników, takich jak dopamina, serotonina itp., zaś stężenie izotopu określa się w wartościach bezwzględnych. PET potrafi więc podać niezwykle cenne informacje o charakterze czynnościowym, metabolicznym. Również znakomicie różnicuje tkankę nowotworową na tle zdrowej w obrębie całego organizmu. PET obrazuje również aktywność całego mózgu, nie tylko obszarów korowych [7].

Wyobraźmy sobie, jak osoba badana leży w skanerze PET. Podczas pierwszego badania polecono, aby jedynie leżeć z zamkniętymi oczami, relaksować się, wypoczywać. Podczas drugiego badania stymulowano dotykowo palce jednej ręki. Rezultat skanowania, dzięki zastosowaniu tomografii, odtwarzany jest na obrazie ukazującym aktywność mózgu w przekroju poziomym, gdzie za pomocą kolorów oznaczono stopień ekstrakcji tlenu, lub wartość przepływu krwi. Na takim obrazie cały mózg ma stosunkowo jednolity kolor, z nieznacznymi zmianami w niektórych miejscach. Wysoka rozdzielczość przestrzenna sprawia, że nie widzimy żadnych pikseli (jak miało to miejsce we wcześniejszych rozwiązaniach), zaś wszelkie zmiany w barwach zdają się być płynne. Następnie porównujemy obrazy uzyskane w obu warunkach. Są one właściwie podobne, z jednym wyjątkiem. Na obrazie uzyskanym podczas stymulacji dotykowej, uwidacznia się mały punkcik, wyraźnie różniący się barwą od „standardowego” koloru mózgu, „jarząc się” w kolorze wysokiego stopnia przepływu krwi. Ten punkcik odzwierciedla istotnie większy lokalny przepływ krwi w obrębie pierwszorzędowej kory czuciowej. Podobnie można obrazować aktywność mózgu związaną z bardziej złożonymi procesami poznawczymi, takimi jak pamięć, percepcja, mowa. Osoba badana po prostu leży w skanerze i ma do wykonania określone zadanie poznawcze. Liczne prace, powstałe w latach 80. i 90., potwierdziły dotychczasowe dane na temat relacji między mózgiem a umysłem, wyniesione z badań neuropsychologicznych, ale uwidoczniły również bardziej złożony charakter pracy mózgu, niż to dotychczas się wydawało. Podczas gdy badania neuropsychologiczne wskazywały pojedyncze obszary mózgu, neuroobrazowanie ujawnia aktywację różnych okolic, ulokowanych w różnych częściach mózgu.

Opisywany powyżej eksperyment ze stymulacją dotykową faktycznie został przeprowadzony [6], zaś badaczy interesowały relacje między różnymi parametrami, jakie można mierzyć za pomocą PET. Doszli do wniosku, że zmiany lokalnego przepływu krwi są związane z aktywnością neuronalną, ale lokalne zmiany metabolizmu tlenu nie wiążą się z tą aktywnością, podważając wcześniejsze założenie o istnieniu takiego związku. Paradoksalnie wydaje się więc, że aktywność neuronalna zwiększa przepływ krwi, lecz nie zużywa więcej tlenu. Ta dysproporcja w efekcie sprawia, że pod wpływem aktywności neuronalnej w odpowiednim miejscu mózgu zmienia się stężenie tlenu. Odkrycie to utorowało następnie drogę do opracowania kolejnej metody, opisanej poniżej.

 

_

badania neuroobrazowe: MRI i fMRI

_

Obrazowanie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego, albo inaczej funkcjonalne obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang. functional magnetic resonance imaging, fMRI), jest używane podobnie jak PET, do mapowania aktywacji struktur mózgu wywołanej podawanym bodźcem, lub wykonywanymi procesami poznawczymi. Technologia rezonansu magnetycznego, nagrodzona już Nagrodą Nobla, ma bardzo wiele możliwości, z których szereg jest wciąż udoskonalanych.

rysunek.Zjawisko rezonansu magnetycznego tradycyjnie było i jest stosowane także w fizyce, chemii i biochemii, jako jądrowy rezonans magnetyczny (ang. nuclear magnetic resonance, NMR), pozwalający uchwycić parametry chemiczne badanych substancji. Zasada działania, o której jeszcze będzie trochę wspomniane później, polega na rejestracji promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez badaną substancję. Uzyskiwane w efekcie widmo elektromagnetyczne (spektroskopia) przybiera zmienną postać, zależnie od częstotliwości sygnałów różnych atomów obecnych w badanej substancji, co określa się mianem przesunięcia chemicznego. Podobne badania także można wykonywać odnośnie mózgu człowieka (spektroskopia protonowa rezonansu magnetycznego – ang. proton magnetic resonance spectroscopy, 1H-MRS). Procedura ta pozwala uchwycić stan różnych substancji chemicznych obecnych w mózgu i jest w związku z tym określana mianem „wirtualnej biopsji”. Obecnie duże zainteresowanie wzbudzają próby określenia wzorca zapisu spektroskopii związanego atrofią (zanikiem) neuronów. Ponieważ stan metabolitów można mierzyć z określonych lokalizacji mózgu, np. z hipokampa, w ten sposób próbuje się uchwycić wczesne stadia choroby Alzheimera. Co ciekawe, niektóre badania sugerują istnienie różnic międzypółkulowych wskazujących na większą degenerację lewego hipokampa w tej chorobie [5].

Rezonans magnetyczny ma jednak największe zastosowanie w anatomicznym obrazowaniu struktur mózgu. Obrazowanie rezonansu magnetycznego (ang. magnetic resonance imaging, MRI, lub po prostu MR) wymaga umieszczenia osoby badanej w silnym polu magnetycznym i podania impulsu elektromagnetycznego o częstotliwości fal radiowych. Wywołuje to w tkance procesy fizyczne na poziomie atomów, dzięki którym tkanka pobiera tę energię a następnie ją zwraca jak echo, rezonans. Źródłem tego sygnału są zazwyczaj protony. Pojedynczy proton – 1H – to jądro wodoru, zaś wodór i tlen tworzą wodę, której molekuły są wszechobecne w organiźmie, także w mózgu. Zwracany sygnał jest przez skaner rejestrowany, a ponieważ każda tkanka zwraca sygnał o nieco odmiennej charakterystyce, możliwe jest odróżnienie różnych tkanek i struktur mózgu. Po przetworzeniu sygnału możliwa jest wizualizacja danego przekroju mózgu. W aparatach wysokiej klasy uzyskany obraz jest tak doskonałej jakości, że można go porównywać z fotografią odpowiedniego przekroju preparatu mózgu. Znaczenie tej metody w diagnostyce medycznej wydaje się oczywiste. Tego typu badania umożliwiają również dokładny pomiar objętości mózgu, jak i objętości poszczególnych struktur. Wcześniej tego typu porównania były możliwe jedynie w badaniach post mortem. Co więcej, skanowanie MRI w podstawowych opcjach nie wymaga podawania jakichkolwiek dodatkowych substancji. W badaniach diagnostycznych jednakże stosowane są takie dodatkowe substancje zwiększające sygnał w obrębie patologicznych zjawisk, pozwalające lepiej uwidocznić te procesy na zasadzie kontrastu. Manipulując sposobem aplikacji sygnału elektromagnetycznego i innymi sygnałami magnetycznymi, możliwe jest uzyskanie różnych form obrazowania, wrażliwych na nieco inne zjawiska biofizyczne (obrazowanie perfuzyjne, dyfuzyjne).

 

rysunek.

 

Okazuje się, że krew zawierająca tlen ma inne właściwości magnetyczne niż krew pozbawiona tlenu. Obecność krwi nieutlenowanej (deoksyhemoglobiny) zmienia sygnał emitowany przez molekuły wody skupione wokół naczyń krwionośnych. Obecność deoksyhemoglobiny wzmacnia ten sygnał i w ten sposób jest naturalnym kontrastem dla sygnału MRI, mierzonym w pewnych określonych procedurach. Zjawisko to opisał na początku lat 90. S. Ogawa i nazwał je kontrastem zależnym od utlenowania krwi - BOLD (ang. blood oxygenation level dependent). Sygnał BOLD jest punktem wyjścia w mapowaniu aktywacji struktur mózgu wywołanej aktywnością poznawczą. Podobnie jak w przypadku PET, osoba badana leżąca w skanerze wykonuje jakieś proste operacje poznawcze, które związane są z odpowiednią pracą mózgu. Jeżeli w danej okolicy neurony intensywnie pracują, wzrasta tam lokalny przepływ krwi i zmienia się stężenie tlenu o czym czytelnik mógł się już dowiedzieć z paragrafu poświęconego PET. Lokalne zmiany w stężeniu tlenu i związane z tym zmiany w stężeniu deoksyhemoglobiny są uwidaczniane w zmianach sygnału BOLD. Co jest źródłem funkcjonalnego sygnału? Przypuszcza się, że odpowiedź hemodynamiczna BOLD wywołana aktywnością neuronalną związana jest z przetwarzaniem informacji na wejściu i wewnątrz neuronów. Brak jest obecnie danych wskazujących na związek z generowaniem potencjału czynnościowego przez neurony. Przeprowadzono badanie fMRI na małpach, którym jednocześnie zaimplantowano elektrody do mózgu, rejestrując aktywność pojedynczych neuronów, aktywność grup neuronów, oraz aktywność dużych grup neuronów po przez potencjały polowe (LFP). Ustalono, że jedynym sygnałem istotnie korelującym z odpowiedzią hemodynamiczną rejestrowaną przez fMRI były potencjały polowe, będące miarą elektrycznej aktywności postsynaptycznej neuronów [9]. Zjawiska neurobiologiczne leżące u źródła sygnału fMRI, podobnie jak i ERPów, wymagają jeszcze dalszych badań.

 

_

badania neuroobrazowe: kilka uwag do PET i fMRI

_

Skanowanie mózgu za pomocą PET i w sekwencjach funkcjonalnych MRI bez względu na to, co by osoba badana nie robiła, zwróci obraz ukazujący aktywność całego mózgu. Dlatego chcąc uzyskać jakiekolwiek wartościowe dane uczeni muszą za każdym razem rozplanować co najmniej jeden warunek kontrolny, zakładający, że osoba badana będzie angażować w nim mniej więcej te same procesy poznawcze, za wyjątkiem tego, który jest przedmiotem badania. Wówczas odjęcie obrazów uzyskanych w obu warunkach pozwoli wyeksponować hipotetyczną aktywację mózgu, związaną z badanym zjawiskiem. Również w tak zaawansowanych technologicznie badaniach zastosowanie ma wspomniana wcześniej procedura odejmowania warunków eksperymentalnych Dondersa. Podczas gdy aktywność mózgu ulega bardzo szybkim zmianom, PET i fMRI nie potrafią rejestrować takich zmian – nie badają one aktywności neuronalnej tylko związane z nią parametry przepływu krwi. Uzyskanie oszacowania lokalnego przepływu krwi w mózgu za pomocą PET oraz oszacowania odpowiedzi hemodynamicznej BOLD w fMRI wymaga pewnego czasu. Dlatego też stosując te metody, uczeni muszą zaplanować eksperyment w taki sposób, aby osoby badane angażowały badaną funkcję przez dłuższy czas. Rodzi to spore kontrowersje. Obecnie podkreśla się znaczenie prób jednoczesnego użycia ERP i obrazowania funkcjonalnego. Obrazy otrzymywane bezpośrednio w fMRI i PET nie są aż tak precyzyjne anatomicznie, jak obrazy uzyskane ze skanowania w sekwencjach strukturalnych MRI, które dość wyraźnie odzwierciedlają anatomię mózgu. Obecnie analiza obrazów funkcjonalnych wymaga zestawienia ich ze skanami strukturalnymi MRI wykonanymi w tych samych przekrojach u tej samej osoby. Zazwyczaj nanoszone są jedynie te fragmenty obrazu czynnościowego, jakie wykazały istotne statystycznie różnice z obrazami warunków kontrolnych. Niektórzy wykonują także trójwymiarowe obrazy mózgu, aby przedstawić lokalizację aktywności uzyskaną w badaniach. Warto jeszcze zauważyć, że zastosowanie PET jest niezwykle kosztowne, m.in. z powodu potrzeby wyprodukowania określonego izotopu tlenu, glukozy itd. Badania z użyciem rezonansu magnetycznego są znacznie tańsze (choć w cale nie tanie), umożliwiają przy tym od razu uzyskanie obrazów strukturalnych mózgu. Obrazowanie MRI wciąż się rozwija i udoskonalane są różne sposoby obrazowania, jak i poprawia się czułość aparatów. To wszystko sprawia, że obecnie obrazowanie fMRI jest znacznie częściej stosowane.

 

rysunek.

 

_

stymulacja magnetyczna

_

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (ang. transcranial magnetic stimulation, TMS) jest natomiast zupełnie inną metodą. W tym przypadku nie dokonuje się zapisu parametrów, wywiera się natomiast w sposób nieinwazyjny, krótkotrwały i całkowicie odwracalny wpływ na pracę mózgu. TMS opiera się na odkrytym przez Faradaya w 1831 roku zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Polega ono na tym, że pod wpływem ruchu przewodnika w polu magnetycznym, albo pod wpływem działania zmiennego pola magnetycznego, w przewodniku wytwarza się napięcie elektryczne. Aktywność neuronalna wywołana przez cewkę TMS wydaje się zupełnie przypadkowa i bardziej zbliżona w swych efektach do stanów patologicznych, aniżeli do jakiegokolwiek sensownego przetwarzania informacji. Tradycyjne badania z wykorzystaniem TMS pokazywały, że stymulacja kory motorycznej wywołuje skorelowaną aktywność odpowiednich mięśni, mierzoną za pomocą EMG [3]. Duże zainteresowanie budzi procedura aplikowania wielu impulsów w krótkich odstępach czasu (co wyraża się w Hz; 1 Hz to 1 impuls na sekundę), nazywanych powtarzaną stymulacją rTMS. Zakłada się, że impulsacja rTMS o niskiej częstotliwości prowadzi do obniżenia się pobudliwości neuronów korowych. Efekt ten bywa wykorzystywany, choć wciąż jedynie eksperymentalnie, w badaniach nad nowymi metodami leczenia m.in. depresji, ale też innych zaburzeń psychiatrycznych. Pojawiają się również próby wykorzystania tej procedury w leczeniu zaburzeń neuropsychologicznych, takich jak utrwalona afazja globalna [12], czy zaniedbywanie połowy przestrzeni [4]. W tych przypadkach punktem wyjścia jest koncepcja, wg. której uszkodzenie jednej półkuli mózgu wywołuje zaburzenia w drugiej, która jak gdyby zaczyna „szaleć”, uwolniona spod pewnej kontroli uszkodzonego ośrodka. Stąd też lecznicza stymulacja wycelowana była w tą samą okolicę, która uległa uszkodzeniu, lecz ulokowaną w drugiej, zdrowej półkuli. Obserwowano poprawę stanu zdrowia przez jakiś czas po zaprzestaniu tych zabiegów, co jest interesujące nie tylko z punktu widzenia teoretycznego, lecz także terapeutycznego.

Procedura rTMS, zmniejszając pobudliwość neuronów, indukuje „wirtualną lezję” i dlatego jest interesująca z punktu widzenia cognitive neuroscience. W oparciu o tę procedurę można wnioskować o udziale danej okolicy korowej w badanych procesach poznawczych, a nawet, można próbować wnioskować o czasie wyrażonym w milisekundach, w jakim dana struktura bierze udział w rozwiązywaniu danego zadania. W jednym z pierwszych tego typu badań zadaniem osób badanych było proste rozpoznawanie liter wyświetlanych jedna po drugiej na ekranie. Impulsy TMS podane pomiędzy 80-100 ms po prezentacji bodźca nad powierzchnią potyliczną (wycelowane w pierwszorzędową korę wzrokową), niweczyły możliwość wykonania tego zadania [1]. Aktualnie uważa się, że ta metoda jest niezwykle obiecująca, jednak potrzebne jest jeszcze wiele badań pozwalających opracować jednolite procedury eksperymentalne i wyjaśnić wiele zagadek związanych ze zjawiskami mającymi miejsce podczas stymulacji.

 

Literatura cytowana:

  1. Amassian V. E., Cracco R. Q., Maccabee P. J., Cracco J. B., Rudell A. P., Eberle L. (1989) Suppression of visual perception by magnetic coil stimulation of human occipital cortex. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 74: 458-462.

  2. Andreassi J. L. (2000) Psychophysiology. Human Behavior and Physiological Response. 4th edit. Mahaw: Lawrence Erlbaum Associates, Inc.

  3. Barker A. T., Jalinous R., Freeston I.L. (1985) Non-invasive magnetic stimulation. Lancet, 1(8437): 1106-7.

  4. Brighina F., Bisiach E., Oliveri M., Piazza A., La Bua V., Daniele O., Fierro B. (2003) 1 Hz repetitive transcranial magnetic stimulation of the unaffected hemisphere ameliorates contralesional visuospatial neglect in humans. Neuroscience Letters 336: 131-133.

  5. Dixon R. M., Bradley K. M., Budge M. M., Styles P., Smith A.D. (2005) Longitudinal quantitative proton magnetic resonance spectroscopy of the hippocampus in Alzheimer's disease. Brain, 125: 2332-2341.

  6. Fox P.T., Raichle M.E. (1986) Focal physiological uncoupling of cerebral blood flow and oxidative metabolism during somatosensory stimulation in human subjects. Proceedings of the National Academy of Science, USA, 83: 1140-1144.

  7. Grabowska A., Królicki L. (1997) Emisyjna tomografia pozytronowa (PET) i jej zastosowania w diagnostyce klinicznej oraz w badaniach funkcjonalnej organizacji mózgu. Kosmos, 46(3): 393-403.

  8. Hall J. A. Y., Kimura D. (1994) Dermatoglyphic asymmetry and sexual orientation in men. Behavioral Neuroscience, 108(6): 1203-1206.

  9. Logothetis N. K., Pauls J., Augath M., Trinath T., Oltermann A. (2001) Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature, 412: 150-157.

  10. Kimura D., Clarke P.G. (2001) Cognitive pattern and dermatoglyphic asymmetry. Personality and Individual Differences, 30: 579-586.

  11. Łuria A. R. (1976) Problemy neuropsychologii i neurolongwistyki. Wybór prac. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

  12. Naeser M. A., Martin P. I., Nicholas M., Baker E. H. i in. (2005) Improved naming after TMS treatments in a chronic, global aphasia patient – case report. Neurocase, 11(3): 182-193.

  13. Raichle M. E. (1998) Behind the scenes of functional brain imaging: A historical and physiological perspective. Proceedings of the National Academy of Science, USA, 95: 765-722.

  14. Roland P. E., Friberg L. (1985) Localization of cortical areas activated by thinking. Journal of Neurophysiology, 53: 1219-1243.

  15. Springer S. P., Deutsch G. (2004) Lewy mózg, prawy mózg. Z perspektywy neurobiologii poznawczej. Warszawa: Prószyński i S-ka.

Więcej książek w: serwis z książkami nakanapie.pl (książki, audiobooki, e-booki).

 

2006-09-08
autor: Jan Wójcik

 

_

© Marek Kasperski / 2000-2009

 

Szukaj w wortalu

_

Oferta e-sklepu

okładkiTematyka: filozofia umysłu, filozofia języka, neuroscience, psychologia kognitywna, robotyka, sztuczna inteligencja

Autorzy: Arbib, Boden, Breazeal, Calvin, Churchland, Dennett, Edelman, Ekman, Gazzaniga, Greenfield, Hofstadter, Johnson-Laird, Kurzweil, Loftus, McCorduck, Minsky, Moravec, Norman, Pylyshyn, Searle, Schank, Stillings, Wortman...

więcej »

_

Oferta Partnerów

okładkaT. Stafford, M. Webb, 100 sposobów na zgłębienie tajemnic umysłu, Onepress 2006.

Nowości z wyd. Helion

_

Nasi Partnerzy

baner.baner.

_