Jak mierzyć aktywność mózgu u ludzi
Mózg jest trudny do badania nie tylko ze względu na jego nieodłączną złożoność; miliardy neuronów, setki lub tysiące typów neuronów, tryliony połączeń. Mózg działa również w wielu różnych skalach, zarówno w sensie fizycznym, jak i w dziedzinie czasu.
Aby zrozumieć aktywność elektryczną mózgu w tych skalach, żadna pojedyncza technologia nie jest wystarczająca. W rezultacie, neurobiolodzy mają do dyspozycji cały zestaw narzędzi. Niektóre z nich, takie jak fMRI i EEG, mogą być stosowane u ludzi, ponieważ są nieinwazyjne; działają poprzez zaglądanie do czaszki.
Ale narzędzia te cierpią na brak szczegółów. Aby uzyskać bardziej mikroskopijny obraz aktywności neuronów, badacze zwracają się do modeli zwierzęcych. Dzięki temu zachowanie pojedynczych neuronów lub małych grup neuronów może być analizowane z dużo większą szczegółowością.
Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI)
Funkcjonalny rezonans magnetyczny, czyli fMRI, może być najbardziej znaną technologią rejestrowania aktywności neuronalnej, ale w rzeczywistości nie rejestruje aktywności neuronów – zamiast tego wielobarwne obrazy, które można zobaczyć, przedstawiające poszczególne regiony mózgu, są odzwierciedleniem przepływu krwi w mózgu. Dokładniej, sygnał, który widzisz, odzwierciedla względną obecność natlenionej i odtlenionej krwi; aktywne regiony wymagają więcej natlenionej krwi, a więc pomimo pośredniego charakteru, fMRI pozwala naukowcom wnioskować o wzorcach aktywności neuronów.
fMRI stał się podstawą współczesnych badań neurobiologicznych, ponieważ pozwala na skorelowanie anatomii mózgu (uzyskanej ze strukturalnego, a nie funkcjonalnego, skanowania MRI) i funkcji u ludzi. Ma ona jednak pewne ograniczenia. Zarówno rozdzielczość przestrzenna (~1 mm3, odnosząca się do lokalizacji), jak i czasowa (~1-2 s, odnosząca się do czasu) są słabe w porównaniu z tym, czego byśmy chcieli; milimetr sześcienny zawiera około 60 000 neuronów – wystarczająco dużo, by utrzymać całe życie muszki owocowej lub homara – a złożone decyzje percepcyjne zajmują tylko setki milisekund, ale fMRI nie zapewnia dostępu do tych informacji.
Niemniej jednak, fMRI pozwala na niezrównane spojrzenie na to, gdzie i w jakim stopniu różne funkcje mogą być zlokalizowane w ludzkim mózgu, a badacze nadal opracowują sposoby poprawy jego rozdzielczości przestrzennej i czasowej, na przykład poprzez uwrażliwienie tej techniki na zmiany neuronalne, a nie zmiany w przepływie krwi. Żadna z obecnych technik nie dorównuje fMRI pod względem zdolności do „mapowania” lub określania prawdopodobnego źródła funkcji poznawczych w ludzkim mózgu.
Elektroencefalografia (EEG)
Elektroencefalografia, czyli EEG, jest prawdopodobnie drugą w kolejności techniką rejestrowania aktywności neuronalnej. Podczas gdy fMRI rejestruje przepływ krwi, wskaźnik aktywacji neuronów, EEG bezpośrednio rejestruje aktywność elektryczną mózgu poprzez elektrody umieszczone na skórze głowy badanego.
Jednakże EEG nie rejestruje potencjałów czynnościowych, zdarzeń elektrycznych, które neurony wykorzystują do komunikacji między sobą. Zamiast tego, bada zsumowaną aktywność setek tysięcy lub milionów neuronów w formie aktywności oscylacyjnej. W przeciwieństwie do potencjałów czynnościowych nie wiadomo, jaką informację niosą ze sobą te oscylacje, ale różne częstotliwości oscylacji korelują z różnymi stanami behawioralnymi.
EEG ma „rozdzielczość czasową” znacznie przewyższającą fMRI (~1 ms vs. 1 sec). Z tego powodu EEG może być używane do dokładniejszego śledzenia dynamiki neuronalnej u obudzonych ludzi i jest często używane do określenia elektrycznej odpowiedzi mózgu na bodziec lub warunki.
Podstawowym ograniczeniem EEG jest jego słaba rozdzielczość przestrzenna, znacznie gorsza niż w przypadku fMRI. Chociaż wiadomo, że sygnały EEG pochodzą tylko z kory mózgowej, pozostaje niezwykle trudne, aby wiedzieć dokładnie, gdzie w korze powstają sygnały.
Co więcej, jego korowe uprzedzenie oznacza, że nie możemy go użyć do pomiaru tego, co dzieje się w hipokampie, gdzie wiele wspomnień jest tworzonych i przechowywanych, lub w substantia nigra lub striatum, regionach dotkniętych chorobą Parkinsona. Więc w przeciwieństwie do fMRI, mapowanie aktywności nie jest naprawdę możliwe z EEG.
Elektrokortykografia (ECoG)
Elektrokortykografia jest podobna do EEG w tym, że mierzy połączoną aktywność milionów neuronów, często w postaci fal oscylacyjnych. Istnieją jednak dwie główne różnice. Po pierwsze, ECoG wymaga umieszczenia zestawu elektrod pod skórą głowy, a więc wymaga operacji. Z tego powodu ECoG jest odpowiednie tylko dla pacjentów, u których już zaplanowano zabieg medyczny, który wymaga otwarcia skóry głowy.
Po drugie, ECoG umożliwia znacznie lepszą lokalizację źródła aktywności, jak również rejestrację aktywności elektrycznej o wyższej częstotliwości. Obie te cechy pomagają podczas operacji epilepsji, ale dla celów czysto badawczych technika ta jest zbyt inwazyjna, by stosować ją u ludzi, którzy nie wymagają jeszcze operacji mózgu.
Podsumowanie
Naukowcy są słusznie ograniczeni w zakresie metod, które mogą stosować do badania aktywności ludzkiego mózgu. Jednak do tej pory nie istnieje technologia, która pozwala na rejestrowanie szczegółowej aktywności neuronów przez ludzką czaszkę, co oznacza, że działania, które możemy podjąć, dają dość zgrubne informacje o tym, jak działają nasze mózgi. Te przestrzenne i czasowe ograniczenia rozdzielczości zostaną niewątpliwie poprawione w najbliższej przyszłości, umożliwiając bardziej precyzyjne pomiary i lepszy wgląd w aktywność ludzkiego mózgu. Ponadto, komplementarne podejścia, które pozwalają na czasowe zakłócenie przetwarzania neuronów, pomogą nam zrozumieć, jakiego rodzaju regionalne dysfunkcje mózgu mogą prowadzić do deficytów poznawczych związanych z zaburzeniami psychicznymi.
QBI Laboratories using fMRI
- Profesor Jason Mattingley
- Associate Professor Ross Cunnington
- Profesor Tianzi Jiang
QBI Laboratories using EEG
- Professor Jason Mattingley
- Associate Professor Ross Cunnington
.