Cum se măsoară activitatea cerebrală la oameni

BY admin
|

Creierul este dificil de studiat nu numai din cauza complexității sale inerente; miliardele de neuroni, sutele sau miile de tipuri de neuroni, trilioanele de conexiuni. De asemenea, creierul funcționează la o serie de scări diferite, atât în sens fizic, cât și în domeniul temporal.

Pentru a înțelege activitatea electrică a creierului la aceste scări, nu este suficientă o singură tehnologie. Ca urmare, neuroștiințele au la dispoziție o suită de instrumente. Unele dintre acestea, cum ar fi fMRI și EEG, pot fi utilizate la om deoarece sunt neinvazive; ele funcționează prin privirea în craniu.

Dar aceste instrumente suferă de o lipsă de detalii. Pentru a obține o imagine mai microscopică a activității neuronilor, cercetătorii apelează la modele animale. Acest lucru permite analiza mult mai detaliată a comportamentului neuronilor individuali sau a unor grupuri mici de neuroni.

Imagistica prin rezonanță magnetică funcțională (fMRI)

Imagistica prin rezonanță magnetică funcțională, sau fMRI, ar putea fi cea mai cunoscută tehnologie de înregistrare a activității neuronale, dar nu înregistrează de fapt activitatea neuronilor – în schimb, imaginile multicolore pe care le vedeți ale anumitor regiuni ale creierului care se aprind reflectă fluxul sanguin din creier. Mai exact, semnalul pe care îl vedeți reflectă prezența relativă a sângelui oxigenat față de cel dezoxigenat; regiunile active necesită mai mult sânge oxigenat și, astfel, în ciuda faptului că este indirectă, fMRI permite oamenilor de știință să deducă modelele de activitate ale neuronilor.

fMRI a devenit un element de bază al cercetării moderne în domeniul neuroștiințelor, deoarece permite corelarea anatomiei creierului (obținută în urma unei scanări RMN structurale, mai degrabă decât funcționale) și a funcției la om. Dar are și limitări. Atât rezoluția spațială (~1 mm3, referitoare la locație), cât și cea temporală (~1-2 sec, referitoare la timp) sunt slabe în comparație cu ceea ce ne-am dori; un milimetru cub conține aproximativ 60.000 de neuroni – suficient pentru a susține întreaga viață a unei muște de fructe sau a unui homar – iar deciziile perceptuale complexe durează doar câteva sute de milisecunde, dar fMRI nu oferă acces la aceste informații.

Cu toate acestea, fMRI permite o privire de neegalat asupra locului și măsurii în care diferite funcții pot fi localizate în creierul uman, iar cercetătorii continuă să conceapă modalități de îmbunătățire a rezoluției sale spațiale și temporale, de exemplu, făcând tehnica sensibilă la modificările neuronale mai degrabă decât la modificările fluxului sanguin. Nicio tehnică actuală nu se compară cu fMRI în ceea ce privește capacitatea sa de a „cartografia” sau de a determina sursa probabilă a funcției cognitive în creierul uman.

Electroencefalografia (EEG)

Electroencefalografia, sau EEG, este probabil a doua cea mai cunoscută tehnică de înregistrare a activității neuronale. În timp ce fMRI înregistrează fluxul sanguin, un indicator al activării neuronilor, EEG înregistrează direct activitatea electrică a creierului prin intermediul unor electrozi plasați pe scalpul subiectului.

Cu toate acestea, EEG nu înregistrează potențialele de acțiune, evenimentele electrice pe care neuronii le folosesc pentru a comunica între ei. În schimb, acesta sondează activitatea însumată a sute de mii sau milioane de neuroni sub forma unei activități oscilatorii. Spre deosebire de potențialele de acțiune, nu se știe ce informații transportă de fapt aceste oscilații, dar diferite frecvențe de oscilație se corelează cu diferite stări comportamentale.

EEG are o „rezoluție temporală” mult superioară fMRI (~1 ms vs. 1 sec). Din acest motiv, EEG poate fi folosit pentru a urmări cu mai multă precizie dinamica neuronală la oamenii treji și este adesea folosit pentru a determina răspunsul electric al creierului la un stimul sau la o condiție.

Limitarea principală a EEG este rezoluția sa spațială slabă, mult mai slabă decât în cazul fMRI. Deși se știe că semnalele EEG provin doar din cortexul cerebral, rămâne extrem de dificil de știut cu precizie în ce parte a cortexului apar semnalele.

În plus, prejudecata sa corticală înseamnă că nu o putem folosi pentru a măsura ce se întâmplă în hipocampus, unde sunt făcute și stocate multe amintiri, sau în substantia nigra sau striatum, regiuni afectate de boala Parkinson. Așadar, spre deosebire de fMRI, cartografierea activității nu este cu adevărat posibilă cu EEG.

Electrocorticografia (ECoG)

Electrocorticografia este similară cu EEG prin faptul că măsoară activitatea combinată a milioane de neuroni, adesea sub forma unor unde oscilatorii. Dar există două diferențe majore. În primul rând, ECoG necesită inserarea setului de electrozi sub scalp și, prin urmare, necesită o intervenție chirurgicală. Din acest motiv, ECoG este potrivit doar pentru pacienții deja programați pentru o intervenție chirurgicală medicală care implică deschiderea scalpului.

În al doilea rând, ECoG permite o localizare semnificativ îmbunătățită a sursei de activitate, precum și înregistrarea activității electrice de frecvență mai mare. Ambele caracteristici ajută în timpul operației de epilepsie, dar în scopuri de cercetare pură, tehnica este prea invazivă pentru a fi utilizată la oamenii care nu necesită deja o operație pe creier.

Rezumat

Neuroscientiștii sunt limitați în mod justificat în ceea ce privește tipul de abordări pe care le pot utiliza pentru a studia activitatea creierului uman. Cu toate acestea, până în prezent nu există nicio tehnologie care să permită înregistrarea detaliată a activității neuronale prin craniul uman, ceea ce înseamnă că măsurile pe care le putem lua oferă informații destul de grosiere cu privire la modul în care funcționează creierul nostru. Aceste limite de rezoluție spațială și temporală vor fi, fără îndoială, îmbunătățite în viitorul apropiat, permițând măsurători mai precise și o mai bună înțelegere a activității creierului uman. În plus, abordările complementare care permit întreruperea temporară a procesării neuronale ne vor ajuta să înțelegem ce fel de disfuncții regionale ale creierului ar putea duce la deficitele cognitive asociate cu tulburările mintale.

QBI Laboratories using fMRI

  • Profesor Jason Mattingley
  • Profesor asociat Ross Cunnington
  • Profesor Tianzi Jiang

QBI Laboratories folosind EEG

  • Profesor Jason Mattingley
  • Profesor asociat Ross Cunnington