Jak měřit mozkovou aktivitu u lidí
Mozek je obtížné studovat nejen kvůli jeho přirozené složitosti; miliardy neuronů, stovky nebo tisíce typů neuronů, biliony spojení. Mozek také pracuje v řadě různých měřítek, a to jak ve fyzikálním smyslu, tak v časové oblasti.
K pochopení elektrické aktivity mozku v těchto měřítkách nestačí žádná jednotlivá technologie. V důsledku toho mají neurovědci k dispozici sadu nástrojů. Některé z nich, například fMRI a EEG, lze u lidí použít, protože jsou neinvazivní; pracují prostřednictvím pohledu do lebky.
Tyto nástroje však trpí nedostatkem detailů. Pro získání mikroskopičtějšího obrazu aktivity neuronů se vědci obracejí na zvířecí modely. Ty umožňují analyzovat chování jednotlivých neuronů nebo malých skupin neuronů mnohem podrobněji.
Funkční magnetická rezonance (fMRI)
Funkční magnetická rezonance neboli fMRI je možná nejznámější technologií pro záznam nervové aktivity, ale ve skutečnosti nezaznamenává aktivitu neuronů – místo toho vícebarevné obrazy, které vidíte, jak se rozsvěcují jednotlivé oblasti mozku, odrážejí průtok krve v mozku. Přesněji řečeno, signál, který vidíte, odráží relativní přítomnost okysličené a odkysličené krve; aktivní oblasti vyžadují více okysličené krve, a tak navzdory tomu, že je fMRI nepřímá, umožňuje vědcům odvodit vzorce aktivity neuronů.
fMRI se stala základem moderního neurovědního výzkumu, protože umožňuje korelovat anatomii mozku (získanou ze strukturálního, nikoli funkčního vyšetření MRI) a funkci u lidí. Má však svá omezení. Jak prostorové (~1 mm3, týkající se místa), tak časové (~1-2 s, týkající se času) rozlišení je slabé ve srovnání s tím, co bychom chtěli; krychlový milimetr obsahuje asi 60 000 neuronů – což je dost na to, aby to stačilo na celý život ovocné mušky nebo humra – a složitá percepční rozhodnutí trvají jen stovky milisekund, ale fMRI k těmto informacím neposkytuje přístup.
FMRI nicméně umožňuje bezkonkurenční pohled na to, kde a do jaké míry mohou být v lidském mozku lokalizovány různé funkce, a vědci nadále vymýšlejí způsoby, jak zlepšit její prostorové a časové rozlišení, například tím, že tato technika bude citlivější na změny neuronů než na změny průtoku krve. Žádná současná technika se nevyrovná fMRI, pokud jde o její schopnost „mapovat“ nebo určit pravděpodobný zdroj kognitivních funkcí v lidském mozku.
Elektroencefalografie (EEG)
Elektroencefalografie neboli EEG je pravděpodobně druhou nejznámější technikou pro záznam nervové aktivity. Zatímco fMRI zaznamenává průtok krve, což je zástupný ukazatel aktivace neuronů, EEG přímo zaznamenává elektrickou aktivitu mozku prostřednictvím elektrod umístěných na skalpu subjektu.
EEG však nezaznamenává akční potenciály, elektrické události, které neurony používají k vzájemné komunikaci. Místo toho zkoumá souhrnnou aktivitu statisíců nebo milionů neuronů v podobě oscilační aktivity. Na rozdíl od akčních potenciálů není známo, jakou informaci tyto oscilace vlastně nesou, ale různé frekvence oscilací korelují s různými stavy chování.
EEG má „časové rozlišení“ mnohem lepší než fMRI (~1 ms oproti 1 s). Díky tomu lze EEG použít k přesnějšímu sledování nervové dynamiky u bdělých lidí a často se používá k určení elektrické odezvy mozku na podnět nebo stav.
Primárním omezením EEG je jeho špatné prostorové rozlišení, mnohem horší než u fMRI. Přestože je známo, že signály EEG pocházejí pouze z mozkové kůry, je stále velmi obtížné přesně určit, kde v kůře signály vznikají.
Navíc jeho kortikální zkreslení znamená, že jej nemůžeme použít k měření toho, co se děje v hipokampu, kde se vytváří a ukládá mnoho vzpomínek, nebo v substantia nigra či striatu, oblastech postižených Parkinsonovou chorobou. Na rozdíl od fMRI tedy není mapování aktivity pomocí EEG skutečně možné.
Elektrokortikografie (EKG)
Elektrokortikografie je podobná EEG v tom, že měří kombinovanou aktivitu milionů neuronů, často ve formě oscilačních vln. Existují však dva zásadní rozdíly. Za prvé, EKG vyžaduje zavedení soustavy elektrod pod skalp, a vyžaduje tedy chirurgický zákrok. Z tohoto důvodu je ECoG vhodné pouze pro pacienty, kteří již mají naplánovaný lékařský zákrok, který zahrnuje otevření skalpu.
Zdruhé, ECoG umožňuje výrazně lepší lokalizaci zdroje aktivity a také záznam elektrické aktivity o vyšších frekvencích. Obě tyto vlastnosti pomáhají při operaci epilepsie, ale pro čistě výzkumné účely je tato technika příliš invazivní na to, aby mohla být použita u lidí, kteří již nevyžadují operaci mozku.
Shrnutí
Neurologové jsou oprávněně omezeni v druhu přístupů, které mohou použít ke studiu aktivity lidského mozku. Zatím však neexistuje technologie, která by umožňovala detailní záznam aktivity neuronů přes lidskou lebku, což znamená, že měření, která můžeme provádět, poskytují poměrně hrubé informace o tom, jak náš mozek funguje. Tyto limity prostorového a časového rozlišení se v blízké budoucnosti nepochybně zlepší, což umožní přesnější měření a lepší vhled do činnosti lidského mozku. Kromě toho nám doplňkové přístupy, které umožňují dočasné narušení zpracování neuronů, pomohou pochopit, jaké druhy regionálních mozkových dysfunkcí mohou vést ke kognitivním deficitům spojeným s duševními poruchami.
Laboratoře QBI využívající fMRI
- Profesor Jason Mattingley
- Doktor Ross Cunnington
- Profesor Tianzi Jiang
Laboratoře QBI využívající EEG
- Profesor Jason Mattingley
- Doktor Ross Cunnington
.