Hogyan mérjük az emberek agyi aktivitását

Az agyat nem csak a velejáró komplexitása miatt nehéz tanulmányozni; a több milliárd neuron, a több száz vagy ezerféle neurontípus, a több trillió kapcsolat miatt. Az agy emellett számos különböző skálán működik, mind fizikai értelemben, mind az időtartományban.

Az agy elektromos aktivitásának megértéséhez ezeken a skálákon egyetlen technológia sem elegendő. Ennek eredményeképpen az idegtudósok eszköztárral rendelkeznek. Ezek közül néhányat, például az fMRI-t és az EEG-t azért lehet használni az embernél, mert nem invazívak; a koponyába való belenézéssel dolgoznak.

De ezek az eszközök szenvednek a részletesség hiányától. Ahhoz, hogy mikroszkopikusabb képet kapjanak az idegsejtek aktivitásáról, a kutatók állatmodellekhez fordulnak. Ez lehetővé teszi, hogy az egyes neuronok vagy kis neuroncsoportok viselkedését sokkal részletesebben elemezzék.

Funkcionális mágneses rezonancia képalkotás (fMRI)

A funkcionális mágneses rezonancia képalkotás vagy fMRI lehet a legismertebb technológia az idegi aktivitás rögzítésére, de valójában nem az idegsejtek aktivitását rögzíti – ehelyett a többszínű képek, amelyeket az egyes agyi régiók megvilágításáról látunk, az agyi véráramlást tükrözik. Pontosabban, a látott jel az oxigéndús és oxigénmentes vér relatív jelenlétét tükrözi; az aktív régiók több oxigéndús vért igényelnek, így az fMRI közvetett volta ellenére lehetővé teszi a tudósok számára, hogy a neuronok aktivitási mintáira következtessenek.

Az fMRI a modern idegtudományi kutatások egyik alapművévé vált, mivel lehetővé teszi az agy anatómiájának (strukturális, nem pedig funkcionális MRI-vizsgálatból nyert) és működésének korrelálását az emberekben. Vannak azonban korlátai. Mind a térbeli (~1 mm3, a helyhez kapcsolódóan), mind az időbeli (~1-2 mp, az időhöz kapcsolódóan) felbontás gyenge ahhoz képest, amit szeretnénk; egy köbmilliméteren körülbelül 60 000 neuron található – ami elég egy gyümölcslégy vagy homár egész életére -, és az összetett érzékelési döntések csak több száz milliszekundumot vesznek igénybe, de az fMRI nem biztosít hozzáférést ehhez az információhoz.

Az fMRI mindazonáltal páratlan betekintést enged abba, hogy a különböző funkciók hol és milyen mértékben lokalizálódhatnak az emberi agyban, és a kutatók folyamatosan dolgoznak a térbeli és időbeli felbontás javításán, például azzal, hogy a technika a véráramlás változásai helyett a neuronális változásokra érzékeny. Jelenleg nincs olyan technika, amely felérne az fMRI-vel az emberi agyon belüli kognitív funkciók “feltérképezésének” vagy valószínű forrásának meghatározásának képességét illetően.

Elektroenkefalográfia (EEG)

Az elektroenkefalográfia vagy EEG valószínűleg a második legismertebb technika az idegi aktivitás rögzítésére. Míg az fMRI a véráramlást rögzíti, ami a neuronok aktiválódását jelzi, az EEG közvetlenül az agy elektromos aktivitását rögzíti az alany fejbőrén elhelyezett elektródákon keresztül.

Az EEG azonban nem rögzíti az akciós potenciálokat, azokat az elektromos eseményeket, amelyekkel a neuronok kommunikálnak egymással. Ehelyett neuronok százezreinek vagy millióinak összesített aktivitását méri fel oszcillációs aktivitás formájában. Az akciós potenciálokkal ellentétben nem ismert, hogy ezek az oszcillációk valójában milyen információt hordoznak, de az oszcilláció különböző frekvenciái korrelálnak a különböző viselkedési állapotokkal.

Az EEG “időbeli felbontása” jóval jobb, mint az fMRI-é (~1 ms vs. 1 sec). Emiatt az EEG segítségével pontosabban követhető az idegi dinamika éber emberekben, és gyakran használják az agy elektromos válaszának meghatározására egy ingerre vagy állapotra.

Az EEG elsődleges korlátja a gyenge térbeli felbontás, sokkal rosszabb, mint az fMRI esetében. Bár tudjuk, hogy az EEG-jelek csak az agykéregből származnak, továbbra is rendkívül nehéz pontosan tudni, hogy az agykéregben hol keletkeznek a jelek.

Az agykérgi elfogultsága továbbá azt jelenti, hogy nem tudjuk vele mérni, mi történik a hippokampuszban, ahol sok emlék keletkezik és tárolódik, vagy a substantia nigrában vagy a striatumban, a Parkinson-kór által érintett régiókban. Az fMRI-vel ellentétben tehát az EEG-vel nem igazán lehetséges az aktivitás feltérképezése.

Elektrokortikográfia (ECoG)

Az elektrokortikográfia abban hasonlít az EEG-hez, hogy neuronok millióinak együttes aktivitását méri, gyakran oszcillációs hullámok formájában. Két jelentős különbség van azonban. Először is, az EKoG a fejbőr alá kell helyezni az elektródasort, így műtéti beavatkozást igényel. Emiatt az EKoG csak olyan betegek számára alkalmas, akiket már olyan orvosi műtétre terveztek, amely a fejbőr felnyitásával jár.

Másrészt az EKoG lehetővé teszi az aktivitás forrásának lényegesen jobb lokalizálását, valamint a magasabb frekvenciájú elektromos aktivitás rögzítését. Mindkét tulajdonság segít az epilepsziaműtétek során, de tisztán kutatási célokra a technika túlságosan invazív ahhoz, hogy olyan embereknél alkalmazzák, akiknél még nincs szükség agyműtétre.

Összefoglaló

A neurológusok jogosan korlátozottak abban, hogy milyen megközelítéseket használhatnak az emberi agyi aktivitás vizsgálatára. Egyelőre azonban nem létezik olyan technológia, amely lehetővé tenné az emberi koponyán keresztül történő részletes neurontevékenység rögzítését, ami azt jelenti, hogy az általunk végezhető mérések meglehetősen durva információkat adnak arról, hogyan működik az agyunk. Ezek a térbeli és időbeli felbontási korlátok a közeljövőben kétségtelenül javulni fognak, ami pontosabb méréseket tesz lehetővé, és nagyobb betekintést enged az emberi agytevékenységbe. Továbbá, a neuronális feldolgozás átmeneti megszakítását lehetővé tevő kiegészítő megközelítések segítenek majd megérteni, hogy milyen regionális agyi működési zavarok vezethetnek a mentális zavarokhoz társuló kognitív hiányosságokhoz.

QBI Laboratories using fMRI

• Professzor Jason Mattingley
• Associate Professor Ross Cunnington
• Professzor Tianzi Jiang

QBI Laboratories using EEG

• Professzor Jason Mattingley
• Asszociált professzor Ross Cunnington