Příspěvky
>> Moderní neurovědy -- Funkční magnetická rezonance -- Lavina nových poznatků o myšlení v mozku <<
Zatímco filozofové po staletí hloubali o vztahu myšlení, vědomí a mozku, mohli neurovědci teprve nedávno začít zkoumat tento vztah analyticky - nakouknout do černé krabičky plně funkčního mozku. Tato příležitost vyplynula z rychlého rozvoje počítačových technologií a vznikajících nových zobrazovacích metod.
Zasloužilo se o to v první řadě počítačové zpracování obrazu - výkon počítačů v osmdesátých letech už začal postačovat na to, aby se z fyzikálních signálů různých čidel dala rekonstruovat grafická podoba snímané oblasti a některých dějů v ní. Musíme si totiž uvědomit, že obrázky, které dostávají lékaři a neurovědci z počítačové tomografie (známé jako CéTéčko) nebo magnetické rezonance (MRI) nevznikají přímým promítnutím obrazu zkoumané oblasti na nějaký film jako na rentgenu nebo v klasické fotografii. Jsou vytvořeny uměle počítačem matematickou rekonstrukcí a skládáním signálů ze zobrazení z různých úhlů "pohledu".
Dnes je možné díky tomu vytvořit detailní zobrazení mozkových struktur (tedy vlastně anatomické zobrazení) a k tomu i obrazově zachytit fyziologické děje svázané s duševními procesy (funkční zobrazení). "Vidíme", jak se jednotlivé oblasti mozku zapojují do činnosti a jak neurony a jejich podpůrné buňky organizují a koordinují své úkoly. Dostáváme se tak ke skutečnému sledování procesů naší mysli.
Jak to funguje
Pro zvídavé se pokusím zjednodušeně vysvětlit, jak to tedy ve skutečnosti funguje. Ostatní, pro které fyzikálně-biologické principy nejsou důležité, mohou zbytek této části klidně přeskočit.
Nejvýznamnější metody pro funkční výzkum mozku vycházejí z myšlenky sledovat místní změny v průtoku krve jednotlivými mozkovými oblastmi. Je zajímavé, že poprvé tento jev popsal - a tím vlastně položil základy dramatického vývoje neurověd posledních 15 let - italský fyziolog Angelo Mosso už v roce 1881 (je vidět, že technika také není všechno a lidská mysl dlouhodobě vítězí nad hmotou). Využil příležitosti, která se mu naskytla tím, že mohl zkoumat rolníka, kterému po úrazu hlavy zcela nesrostla lebka a jeho mozek byl na malém místě zakrytý jenom kůží. Sledoval s překvapením, že v okamžiku, kdy zazněly zvony svolávající na mši, bylo vidět, že krev v mozku postiženého tepe mnohem intenzivněji. Nicméně celý koncept byl vědecky dotažen a dostatečně detailně popsán až v roce 1990 (Japonec Seigi Ogawa).
Víme už, že mozek je velmi energeticky náročný, a zvýšení aktivity v určité části mozku vyžaduje velmi rychle mobilizovat doplnění energie zvýšeným průtokem krve zásobujícími cévami. Krev předává do oblasti aktivních neuronů glukózu (resp. jejich zásobovacím buňkám-neurogliím), ale je zajímavé, že krátkodobé zvýšení aktivity neznamená zvýšení spotřeby kyslíku (přecházejí na sice méně efektivní, ale pohotovější anaerobní proces přeměny glukózy na energii). Výsledkem je hromadění kyslíku (oxyhemoglobinu) v nejjemnějších cévách mozku zásobujících aktivizovaná mozková centra.
Funkční magnetická rezonance (fMRI) je založena na změnách magnetických vlastností jedné ze složek krve (hemoglobinu). Okysličená krev (hemoglobin) vykazuje magnetické vlastnosti jedné orientace (diamagnetické), kdežto magnetické vlastnosti neokysličené krve jsou opačné (paramagnetické). Chování molekul hemoglobinu, který předal kyslík, se tak odlišuje od vlastností okolní tkáně i hemoglobinu okysličeného. Krátký impulz velmi silného magnetického pole z vnějšku vyvolá magnetickou reakci molekul hemoglobinu v orientaci a intenzitě zprostředkovaně odpovídající míře aktivity neuronů v dané lokalitě, a tato reakce je zachycena snímači přístroje. Z nasnímaných sérií signálů potom počítač rekonstruuje obraz snímaných tkání mozku a jevů v nich, až po např. barevné označení aktivních center pro lepší orientaci na snímku (viz obrázek výše).
Dnes je magnetická rezonance nejrozšířenější metoda, protože je téměř neinvazivní (tj. zkoumanému mozku se moc neubližuje), bez vedlejších účinků (na rozdíl od CT není použito žádné rentgenové záření) a dnes už i relativně dobře dostupná (i v ČR - v roce 2008 bylo 58 pracovišť). Má ze všech používaných metod nejvyšší přesnost určení místa aktivity neuronů (rozlišení až 1mm). Nevýhodou je, že hromadění okysličené krve nastává typicky až po několika vteřinách od vzruchu (neurony mezitím jedou "na rezervu"), takže při složitější činnosti více částí mozku přichází změna jejich magnetické reakce s nepříjemným zpožděním ztěžujícím vyhodnocení výsledku.
Cestou k odstranění těchto překážek (i když také vůbec ne jednoduchou) je kombinace metod kompenzujících nevýhody každé z nich - např. doplnění fMRI třeba o EEG (elektroencefalografii - metodu, při které jsou desítkami elektrod snímány na kůži hlavy mikroproudy spojené s činností mozku), které má přednosti a slabiny přesně opačné - snímané elektrické proudy reagují okamžitě (v milisekundách), ale určení místa jejich vzniku je jen velmi hrubé (okolo 1cm) - jejich vlastnosti společně s ostatními používanými metodami ukazuje obrázek. Bohužel EEG mapuje dění jen v mozkové kůře (kortexu), kdežto fMRI umožňuje i ponory do nitra mozku, pro které je třeba hledat jinou kombinaci.
Zajímavé, ale co z toho je užitečné pro náš každodenní život?
Je jasné, že novinky v zobrazovacích metodách umožňují dech beroucí pokrok v medicíně, v pochopení a léčení vrozených změn i následků poranění a nemocí. Neurochirurgové mohou plánovat a úspěšně provádět zákroky s podstatně jasnější prognózou uzdravení a s vyhodnocením případných následků. Na duševní poruchy a postupně i na hrozivé nemoci jako je roztroušená skleróza, Alzheimerova nebo Parkinsonova nemoc je možné účinněji reagovat cílenými léky, když lze konečně změny a děje v mozku a vůbec v celé nervové soustavě objektivně sledovat a ne jen přenášet na pacienty zkušenosti získané z pokusů na laboratorních zvířatech.
Přesto, že jsme teprve na začátku, lavina každodenně přicházejících nových objevů o fungování mozku má ve skutečnosti dopad na všechny oblasti našeho života, kde jsme se doposud museli spoléhat na naše vlastní pozorování o tom, jak jako lidé fungujeme. Svědčí o tom výsledky desítek nových vědních interdisciplinárních oborů, které z poznatků o mozku čerpají. Do názvu si většinou přidávají slovo neuro- a tvoří skupinu souhrnně zvanou neurovědy. Jen se podívejte na seznam oborů, které se do skupiny neurověd hlásí v anglické Wikipedii a mají tam již svůj samostatný článek:
Behavioral neurology, Chronobiology, Cognitive neuroscience, Computational neuroscience, Molecular cellular cognition, Neural engineering, Neuroanatomy, Neuroanthropology, Neurobioengineering, Neurobiology, Neurobiotics, Neurocardiology, Neurochemistry, Neuroeconomics, Neuroeducation, Neuroelectronics, Neuroendocrinology, Neuroepidemiology, Neuroergonomics, Neuroethics, Neuroethology, Neurogastroenterology, Neurogenetics, Neuroimaging, Neuroimmunology, Neuroinformatics, Neurointensive care, Neurolaw, Neurolinguistics, Neurology, Neuromarketing, Neurometrics, Neuromodulation, Neuromonitoring, Neuro-ophthalmology, Neuropathology, Neuropharmacology, Neurophilosophy, Neurophysics, Neurophysiology, Neuroplasticity, Neuroprosthetics, Neuropsychiatry, Neuro-psychoanalysis, Neuropsychology, Neuroradiology, Neurorehabilitation, Neurorobotics, Neurosociology, Neurosurgery, Neurotechnology, Neurotheology, Neurovirology, Systems neuroscience, Brain-computer interface (a já přidám ještě Neuroleadership, ke kterému mám v poslední době nejblíže. Silně jsou označeny obory, z kterých při psaní opatrně čerpám).
Představitelé všech těchto oborů se snaží co nejrychleji přebírat závěry z intenzivního výzkumu mozku a poznatky o jeho fungování a promítat je do "klasických" oblastí vědy. Přes ně nakonec nové znalosti snadněji pronikají do praxe našeho života.
A k tomu by měl přispět i tento web (další zastavení na naší "naučné stezce" je u ledovce).
Zasloužilo se o to v první řadě počítačové zpracování obrazu - výkon počítačů v osmdesátých letech už začal postačovat na to, aby se z fyzikálních signálů různých čidel dala rekonstruovat grafická podoba snímané oblasti a některých dějů v ní. Musíme si totiž uvědomit, že obrázky, které dostávají lékaři a neurovědci z počítačové tomografie (známé jako CéTéčko) nebo magnetické rezonance (MRI) nevznikají přímým promítnutím obrazu zkoumané oblasti na nějaký film jako na rentgenu nebo v klasické fotografii. Jsou vytvořeny uměle počítačem matematickou rekonstrukcí a skládáním signálů ze zobrazení z různých úhlů "pohledu".
Dnes je možné díky tomu vytvořit detailní zobrazení mozkových struktur (tedy vlastně anatomické zobrazení) a k tomu i obrazově zachytit fyziologické děje svázané s duševními procesy (funkční zobrazení). "Vidíme", jak se jednotlivé oblasti mozku zapojují do činnosti a jak neurony a jejich podpůrné buňky organizují a koordinují své úkoly. Dostáváme se tak ke skutečnému sledování procesů naší mysli.
Jak to funguje
Pro zvídavé se pokusím zjednodušeně vysvětlit, jak to tedy ve skutečnosti funguje. Ostatní, pro které fyzikálně-biologické principy nejsou důležité, mohou zbytek této části klidně přeskočit.
.bmp) |
| Ukázka výstupu z funkční magnetické rezonance mozku (zdroj Oxford Centre for fMRI of the Brain) |
Víme už, že mozek je velmi energeticky náročný, a zvýšení aktivity v určité části mozku vyžaduje velmi rychle mobilizovat doplnění energie zvýšeným průtokem krve zásobujícími cévami. Krev předává do oblasti aktivních neuronů glukózu (resp. jejich zásobovacím buňkám-neurogliím), ale je zajímavé, že krátkodobé zvýšení aktivity neznamená zvýšení spotřeby kyslíku (přecházejí na sice méně efektivní, ale pohotovější anaerobní proces přeměny glukózy na energii). Výsledkem je hromadění kyslíku (oxyhemoglobinu) v nejjemnějších cévách mozku zásobujících aktivizovaná mozková centra.
Funkční magnetická rezonance (fMRI) je založena na změnách magnetických vlastností jedné ze složek krve (hemoglobinu). Okysličená krev (hemoglobin) vykazuje magnetické vlastnosti jedné orientace (diamagnetické), kdežto magnetické vlastnosti neokysličené krve jsou opačné (paramagnetické). Chování molekul hemoglobinu, který předal kyslík, se tak odlišuje od vlastností okolní tkáně i hemoglobinu okysličeného. Krátký impulz velmi silného magnetického pole z vnějšku vyvolá magnetickou reakci molekul hemoglobinu v orientaci a intenzitě zprostředkovaně odpovídající míře aktivity neuronů v dané lokalitě, a tato reakce je zachycena snímači přístroje. Z nasnímaných sérií signálů potom počítač rekonstruuje obraz snímaných tkání mozku a jevů v nich, až po např. barevné označení aktivních center pro lepší orientaci na snímku (viz obrázek výše).
 |
| Vlastnosti zobrazovacích metod pro výzkum mozku fMRI=funkční magnetická rezonance, PET=pozitronová emisní tomografie, SPECT=jednofotonová emisní tomografie, EEG=elektroencefalografie, MEG=magnetoencefalografie (zdroj The Neurology of Consciousness: Cognitive Neuroscience and Neuropathology - Elsevier 2009) |
Cestou k odstranění těchto překážek (i když také vůbec ne jednoduchou) je kombinace metod kompenzujících nevýhody každé z nich - např. doplnění fMRI třeba o EEG (elektroencefalografii - metodu, při které jsou desítkami elektrod snímány na kůži hlavy mikroproudy spojené s činností mozku), které má přednosti a slabiny přesně opačné - snímané elektrické proudy reagují okamžitě (v milisekundách), ale určení místa jejich vzniku je jen velmi hrubé (okolo 1cm) - jejich vlastnosti společně s ostatními používanými metodami ukazuje obrázek. Bohužel EEG mapuje dění jen v mozkové kůře (kortexu), kdežto fMRI umožňuje i ponory do nitra mozku, pro které je třeba hledat jinou kombinaci.
Zajímavé, ale co z toho je užitečné pro náš každodenní život?
Je jasné, že novinky v zobrazovacích metodách umožňují dech beroucí pokrok v medicíně, v pochopení a léčení vrozených změn i následků poranění a nemocí. Neurochirurgové mohou plánovat a úspěšně provádět zákroky s podstatně jasnější prognózou uzdravení a s vyhodnocením případných následků. Na duševní poruchy a postupně i na hrozivé nemoci jako je roztroušená skleróza, Alzheimerova nebo Parkinsonova nemoc je možné účinněji reagovat cílenými léky, když lze konečně změny a děje v mozku a vůbec v celé nervové soustavě objektivně sledovat a ne jen přenášet na pacienty zkušenosti získané z pokusů na laboratorních zvířatech.
Přesto, že jsme teprve na začátku, lavina každodenně přicházejících nových objevů o fungování mozku má ve skutečnosti dopad na všechny oblasti našeho života, kde jsme se doposud museli spoléhat na naše vlastní pozorování o tom, jak jako lidé fungujeme. Svědčí o tom výsledky desítek nových vědních interdisciplinárních oborů, které z poznatků o mozku čerpají. Do názvu si většinou přidávají slovo neuro- a tvoří skupinu souhrnně zvanou neurovědy. Jen se podívejte na seznam oborů, které se do skupiny neurověd hlásí v anglické Wikipedii a mají tam již svůj samostatný článek:
Behavioral neurology, Chronobiology, Cognitive neuroscience, Computational neuroscience, Molecular cellular cognition, Neural engineering, Neuroanatomy, Neuroanthropology, Neurobioengineering, Neurobiology, Neurobiotics, Neurocardiology, Neurochemistry, Neuroeconomics, Neuroeducation, Neuroelectronics, Neuroendocrinology, Neuroepidemiology, Neuroergonomics, Neuroethics, Neuroethology, Neurogastroenterology, Neurogenetics, Neuroimaging, Neuroimmunology, Neuroinformatics, Neurointensive care, Neurolaw, Neurolinguistics, Neurology, Neuromarketing, Neurometrics, Neuromodulation, Neuromonitoring, Neuro-ophthalmology, Neuropathology, Neuropharmacology, Neurophilosophy, Neurophysics, Neurophysiology, Neuroplasticity, Neuroprosthetics, Neuropsychiatry, Neuro-psychoanalysis, Neuropsychology, Neuroradiology, Neurorehabilitation, Neurorobotics, Neurosociology, Neurosurgery, Neurotechnology, Neurotheology, Neurovirology, Systems neuroscience, Brain-computer interface (a já přidám ještě Neuroleadership, ke kterému mám v poslední době nejblíže. Silně jsou označeny obory, z kterých při psaní opatrně čerpám).
Představitelé všech těchto oborů se snaží co nejrychleji přebírat závěry z intenzivního výzkumu mozku a poznatky o jeho fungování a promítat je do "klasických" oblastí vědy. Přes ně nakonec nové znalosti snadněji pronikají do praxe našeho života.
A k tomu by měl přispět i tento web (další zastavení na naší "naučné stezce" je u ledovce).
zatím žádný komentář - přidejte svůj!
Okomentovat