Dołącz do czytelników
Brak wyników

Mózg i umysł , Laboratorium

22 stycznia 2016

Myśli i uczucia płyną z prądem

15

Po mózgu krąży prąd elektryczny – to dzięki niemu myślimy, czujemy, rozumiemy. Fizycy, matematycy, chemicy, biolodzy i psychologowie łączą swe siły, aby śledzić jego ścieżki. Wspierając się wzajemnie, coraz lepiej rozumieją, w jaki sposób i gdzie ów prąd powstaje, dlaczego w danym momencie biegnie akurat do tego a nie innego miejsca.

Mózg żywego człowieka jest zawsze aktywny. Nawet podczas snu przetwarza informacje docierające z organizmu i z otoczenia – w tworzących go neuronach nieustannie zachodzą procesy fizjologiczne. Około 100 miliardów neuronów łącznie z tzw. komórkami glejowymi tworzy korę mózgową. Neurony łączą się ze sobą, tworząc wyspecjalizowane grupy (sieci neuronowe). Jeśli więc mówimy o aktywności mózgu, to mamy naturalnie na myśli aktywność tych sieci. Niektóre z tych sieci są ściśle zlokalizowane – mieszczą się w określonych obszarach mózgu zwanych płatami. I tak na przykład błysk światła spowoduje, że zaaktywowane zostaną duże obszary mózgu w płacie potylicznym (najbliżej karku), w tzw. korze wzrokowej. Ale cóż to tak naprawdę oznacza? Oznacza to, że komórki nerwowe w tym obszarze muszą zająć się informacją wzrokową, w przetwarzaniu której się wyspecjalizowały, a więc wykonać odpowiednią pracę. Potrzebują zatem w tym momencie więcej energii niż inne komórki. Zapewnia ją im „zastrzyk” cukru (glukozy). Mierząc zaś zmiany poziomu glukozy w komórkach, możemy ustalić, która część mózgu jest aktywna w czasie przetwarzania informacji wzrokowej.

Na takim „energetycznym modelu“ badania mózgu bazują takie metody neuroobrazowania, jak PET (Positron Emmision Tomography – emisyjna tomografia pozytonowa) czy fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging – funkcjonalny rezonans magnetyczny mózgu). W przypadku metody PET znakuje się glukozę promieniotwórczo. Dzięki temu w momencie „zastrzyku” można zobaczyć miejsce bardziej „świecące” niż pozostałe. Niestety, to „bardziej” jest tak niewielkie, iż trzeba całą operację wielokrotnie powtórzyć, a potem uśrednić, aby „zobaczyć”, w którym miejscu promieniowanie jest największe. A wszystko po to, aby odkryć najbardziej w danym momencie aktywny obszar mózgu.


Ponieważ jednak pojedyncze badanie PET trwa wiele minut, uczeni stworzyli metodę znacznie szybszą. To fMRI – rozszerzenie metody MRI, czyli rezonansu magnetycznego, o „funkcjonalną” analizę mierzonych przebiegów. O co chodzi? W dużym uproszczeniu: wraz z „zastrzykiem” glukozy zwiększa się gęstość atomów wodoru (i nie tylko). Ponieważ jądro atomu wodoru posiada nieparzystą liczbę cząstek elementarnych, zachowuje się jak wirujący miniaturowy magnes. Umieszczone w silnym polu magnetycznym i pobudzone dodatkowo sygnałem radiowym o określonej częstotliwości (rezonans) pochłania ono energię. Im więcej tych atomów, tym większe pochłanianie. W ten sposób można nie tylko znaleźć pobudzony rejon mózgu, ale również otrzymać dokładny jego obraz – podobny do tego, który znamy z badań rentgenowskich. Jest to dzisiaj najdokładniejsza, niemal bezinwazyjna metoda otrzymywania trójwymiarowego obrazu mózgu (MRI). I znacznie lepsza niż PET, ponieważ wystarczają tutaj sekundy, żeby aktywność mózgu zobaczyć.
Kiedy mówimy o aktywności mózgu, to chcielibyśmy dokładnie określić moment, w którym ona następuje. Najlepiej służą temu elektroencefalografia (EEG) oraz magnetoencefalografia (MEG). Obie te metody badają sygnały bezpośrednio generowane przez mózg.


Mózg wytwarza sygnały


Wiemy, że komórki mózgu posiadają różnego rodzaju ładunki elektryczne (np. dodatnio naładowane proteiny, jony K+, Cl-, Na+ itd.). Ponieważ prąd elektryczny (nasz sygnał) to nic innego, jak ruch ładunków, potrzebujemy mechanizmu tłumaczącego ten ruch. Jest on możliwy dzięki dwóm zjawiskom fizycznym: dyfuzji cząsteczek oraz tzw. ciśnieniu elektrostatycznemu. Dyfuzja jest wynikiem prawa termodynamiki, które mówi, że najbardziej wygodnym stanem materii jest taki, w którym się ona „demokratycznie” dzieli: jeśli palę papierosy w zamkniętym pokoju, to po pewnym czasie ich dym wypełni równomiernie całe pomieszczenie. W każdym jego miejscu stężenie dymu będzie po pewnym czasie identyczne. Z kolei ciśnienie elektrostatyczne to „nacisk”, jaki na swoje otoczenie wywiera naładowana elektrycznie cząsteczka. Jest on skutkiem siły, pod wpływem której cząsteczki przyciągają się (jeśli mają odmienne znaki) lub odpychają (jeśli mają znaki takie same). Te dwa mechanizmy ruchu ładunku elektrycznego przyczyniają się do tego, że komórki nerwowe generują „jakieś” sygnały. Czym jednak jest sygnał EEG lub MEG?


Komórka nerwowa jest swego rodzaju baterią. Nadmiar ujemnie naładowanych cząsteczek w jej dłuższym od innych ramieniu zwanym aksonem powoduje, że na powierzchni błony komórkowej (membrany) utrzymuje się stała różnica potencjałów między wnętrzem komórki a jej powierzchnią. Błona komórki nerwowej wyposażona jest w tzw. kanały jonowe, które są swego rodzaju zaworami, wpuszczającymi jony do komórki lub wyrzucającymi je. Dzięki nim pobudzanie komórki może doprowadzić do krótkotrwałej zmiany polarności biegunów naszej „baterii”. Oznacza to, że akson komórki nerwowej może być źródłem sygnału, czyli ciągów impulsów o dwóch stanach: długich – o ujemnych wartościach potencjału i bardzo krótkich – w których potencjał staje się dodatni. Sygnały przemieszczają się wzdłuż aksonu, dobiegają do synapsy i akumulują się. Akumulacja ta (zwykłe sumowanie) zmienia w sposób ciągły (czyli niegwałtowny) potencjał po drugiej stronie synapsy, która jest „zadokowana” do następnej komórki nerwowej. Ten proces jest pierwotnym źródłem sygnału EEG.


Komórki pod prądem


Czy jesteśmy w stanie zmierzyć takie mikroskopijne sygnały wysyłane przez komórkę nerwową? Tak, jeśli uda nam się umieścić elektrodę pomiarową bezpośrednio w komórce. Jeśli „wbijemy” się w komórkę po stronie aksonu, to zobaczymy ciąg impulsów (sygnałów binarnych, takich jakie przetwarzają nasze komputery domowe). Jeśli natomiast „wbijemy” się w nią po stronie tej części synapsy, która leży bliżej jądra komórki, to zobaczymy nieregularne „zygzaki“. Jest on tak mały, że nie zmierzymy go za pomocą elektrod przyklejanych do skóry czaszki.


Wiemy już, że w komórce nerwowej znajduje się mnóstwo różnych cząsteczek posiadających ładunek, który może się poruszać dzięki zasadzie dyfuzji i ciśnieniu elektrostatycznemu. Cóż to jednak takiego jest ten „ruch ładunku“? Mówiąc najprościej – to prąd elektryczny. Z fizyki wiemy, że prądowi elektrycznemu zawsze towarzyszy pole magnetyczne. Doszliśmy więc do zasady pomiaru sygnału MEG – rozkładu, czyli przestrzennej mapy pola magnetycznego generowanego przez aktywne neurony.


Aktywowane neurony przekazują otrzymaną informację do sąsiednich neuronów w tej samej sieci, zajmującej się jednym określonym zadaniem (modalnością). W ten sposób powstaje fala aktywności – niemal jednocześnie pobudzonych jest wiele tysięcy neuronów, które produkują prądy elektryczne. Co więcej, dzięki pionowej budowie kolumn neuronów będą one płynąć w tym samym kierunku, wzmacniając wytwarzany sygnał. Jest on wtedy na tyle silny, że „słyszą” go elektrody EEG przyklejone do głowy lub czujniki pola magnetycznego (MEG). Owa „równoczesność” odpowiedzi grupy neuronów zachodzi w ciągu milisekund (tysięcznych części sekundy).


Dokładność (rozdzielczość) czasowa EEG oraz MEG jest zatem nieporównywalnie wyższa niż PET (minuty) lub fMRI (sekundy). Samo EEG lub MEG jednak nie wystarcza. Wprawdzie dzięki nim możemy z dobrą rozdzielczością czasową zauważyć aktywację zespołów neuronalnych, ale metody te nie pokażą nam, w którym miejscu dokładnie ta aktywność nastąpiła. Ideałem jest więc mariaż dwóch metod: MRI i MEG lub MRI i EEG. MRI dostarczy nam dokładnego trójwymiarowego obrazu mózgu, natomiast EEG lub MEG pozwolą wykryć z dokładnością do milisekund, gdzie ta aktywność wystąpiła.


Niewątpliwą zaletą MEG jest jej całkowita bezinwazyjność. Pacjent siada lub kładzie się pod tzw. kriostatem pomiarowym, przypominającym z wyglądu suszarkę u fryzjera. Nie trzeba przyklejać i sprawdzać setek elektrod, jak w EEG, a w ciągu kilku minut można otrzymać gotowy wynik pomiaru (to nieporównywalnie szybciej niż w EEG). Badania MEG są jednak tak drogie, że poza Finlandią i Kanadą nigdzie na świecie nie stosuje się ich w rutynowych badaniach diagnostycznych.


Co nam mówią sygnały


Dysponując setkami punktów pomiarowych (czujników) EEG lub MEG, z których każdy wytwarza w ciągu jednej sekundy około tysiąca wartości liczbowych, otrzymujemy kolosalną ilość danych. Z nich musimy wysnuć wniosk...

Ten artykuł dostępny jest tylko dla Prenumeratorów.

Sprawdź, co zyskasz, kupując prenumeratę.

Zobacz więcej

Przypisy