Hur man mäter hjärnaktivitet hos människor
Hjärnan är svår att studera, inte bara på grund av dess inneboende komplexitet: miljarder neuroner, hundratals eller tusentals olika typer av neuroner och triljoner förbindelser. Hjärnan arbetar också på ett antal olika skalor, både i fysisk mening och i tidsdomänen.
För att förstå hjärnans elektriska aktivitet på dessa skalor räcker det inte med en enda teknik. Därför har neurovetenskapsmännen en uppsättning verktyg till sitt förfogande. Några av dessa, såsom fMRI och EEG, kan användas på människor eftersom de är icke-invasiva; de fungerar genom att titta in i skallen.
Men dessa verktyg lider av en brist på detaljer. För att få en mer mikroskopisk bild av neuronernas aktivitet vänder sig forskarna till djurmodeller. Detta gör det möjligt att analysera beteendet hos enskilda neuroner, eller små grupper av neuroner, på ett mycket mer detaljerat sätt.
Funktionell magnetresonansavbildning (fMRI)
Funktionell magnetresonansavbildning, eller fMRI, är kanske den mest kända tekniken för att registrera nervaktivitet, men den registrerar faktiskt inte nervcellernas aktivitet – i stället återspeglar de flerfärgiga bilderna som du ser av att vissa hjärnområden lyser upp blodflödet i hjärnan. Aktiva områden kräver mer syresatt blod, så trots att fMRI är indirekt gör den det möjligt för forskare att dra slutsatser om neuronernas aktivitetsmönster.
fMRI har blivit en viktig del av den moderna neurovetenskapliga forskningen eftersom den gör det möjligt att korrelera hjärnans anatomi (som erhålls från en strukturell, snarare än en funktionell, MRT-skanning) och funktion hos människor. Men det har begränsningar. Både den rumsliga (~1 mm3, som avser plats) och temporala (~1-2 sek, som avser tid) upplösningen är dålig jämfört med vad vi skulle vilja ha. En kubikmillimeter innehåller cirka 60 000 neuroner – tillräckligt för att upprätthålla hela livet för en fruktfluga eller hummer – och komplexa perceptuella beslut tar bara hundratals millisekunder, men fMRI ger ingen tillgång till denna information.
För att kunna se var och i vilken utsträckning olika funktioner kan vara lokaliserade i den mänskliga hjärnan, ger fMRI ändå en oöverträffad möjlighet, och forskarna fortsätter att hitta sätt att förbättra den rumsliga och tidsmässiga upplösningen, t.ex. genom att göra tekniken känslig för neuronala förändringar i stället för för förändringar i blodflödet. Ingen nuvarande teknik kan mäta sig med fMRI när det gäller förmågan att ”kartlägga” eller fastställa den troliga källan till kognitiva funktioner i den mänskliga hjärnan.
Elektroencefalografi (EEG)
Elektroencefalografi, eller EEG, är troligen den näst mest kända tekniken för att registrera neuronal aktivitet. Medan fMRI registrerar blodflödet, som är en indikator på neuronernas aktivering, registrerar EEG direkt hjärnans elektriska aktivitet via elektroder som placeras på försökspersonens hårbotten.
EEG registrerar dock inte aktionspotentialer, de elektriska händelser som neuronerna använder för att kommunicera med varandra. Istället kartlägger det den summerade aktiviteten hos hundratusentals eller miljoner neuroner i form av oscillerande aktivitet. I motsats till aktionspotentialer vet man inte vilken information dessa svängningar egentligen bär på, men olika frekvenser av svängningar korrelerar med olika beteendetillstånd.
EEG har en ”tidsmässig upplösning” som är långt överlägsen fMRI (~1 ms jämfört med 1 sek). På grund av detta kan EEG användas för att mer exakt spåra neurala dynamiker hos vakna människor och används ofta för att bestämma hjärnans elektriska svar på ett stimulus eller tillstånd.
Den primära begränsningen för EEG är dess dåliga rumsliga upplösning, mycket sämre än för fMRI. Även om det är känt att EEG-signaler endast kommer från hjärnbarken är det fortfarande ytterst svårt att veta exakt var i hjärnbarken signalerna uppstår.
Dessutom innebär dess kortikala bias att vi inte kan använda det för att mäta vad som händer i hippocampus, där många minnen skapas och lagras, eller i substantivet (substantia nigra) eller striatum, regioner som påverkas av Parkinsons sjukdom. Så till skillnad från fMRI är kartläggning av aktivitet inte riktigt möjlig med EEG.
Elektrokortikografi (ECoG)
Elektrokortikografi liknar EEG i det avseendet att den mäter den kombinerade aktiviteten hos miljontals neuroner, ofta i form av oscillerande vågor. Men det finns två stora skillnader. För det första kräver ECoG att man för in elektrodmatrisen under hårbotten, vilket kräver en operation. Av denna anledning är EKG endast lämpligt för patienter som redan ska genomgå en medicinsk operation som innebär att hårbotten öppnas.
För det andra möjliggör EKG en avsevärt förbättrad lokalisering av aktivitetskällan, liksom registrering av elektrisk aktivitet med högre frekvens. Båda dessa egenskaper underlättar vid epilepsikirurgi, men för rena forskningssyften är tekniken för invasiv för att användas på människor som inte redan måste genomgå hjärnkirurgi.
Sammanfattning
Neurovetare är med rätta begränsade när det gäller vilken typ av tillvägagångssätt de kan använda för att studera mänsklig hjärnaktivitet. Hittills finns det dock ingen teknik som gör det möjligt att registrera detaljerad neuronaktivitet genom den mänskliga skallen, vilket innebär att de åtgärder vi kan vidta ger ganska grov information om hur våra hjärnor fungerar. Dessa gränser för rumslig och tidsmässig upplösning kommer utan tvekan att förbättras inom en nära framtid, vilket möjliggör mer exakta mätningar och större insikter i den mänskliga hjärnans aktivitet. Dessutom kommer kompletterande metoder som gör det möjligt att tillfälligt störa neuronal bearbetning att hjälpa oss att förstå vilka typer av regional dysfunktion i hjärnan som kan leda till de kognitiva brister som förknippas med psykiska störningar.
QBI Laboratories using fMRI
- Professor Jason Mattingley
- Associate Professor Ross Cunnington
- Professor Tianzi Jiang
QBI Laboratories använder EEG
- Professor Jason Mattingley
- Associate Professor Ross Cunnington