Mózg nie od zawsze był uznawany za organ godny zainteresowania

Mózg
Mózg nie od zawsze był uznawany za organ godny zainteresowania. Arystoteles (384–322 p.n.e.)
uważał, że mózg służy jedynie do chłodzenia krwi — faktycznie, kształty obnażonych fałdów kory
mózgowej można skojarzyć z chłodnicą :-). W starożytnym Egipcie mózg był usuwany podczas
mumifikacji, podczas gdy serce i inne organy wewnętrzne były starannie zachowywane. Ale już
Hipokrates (460–377 p.n.e.) stwierdził: Trzeba wiedzieć, że z mózgu samego płyną nasze
przyjemności, radości, śmiech, wesołość, a także nasze smutki, bóle, żałości i łzy...
Schematyczny rysunek neuronu
Choć nadal nie rozumiemy do końca jego działania, dzisiaj wiemy o mózgu o wiele więcej. Składa się
z prawie biliona (1012) komórek nerwowych, czyli neuronów (rys. 1) i wspomagających ich pracę
komórek glejowych, których jest dziesięciokrotnie więcej. Każdy neuron może się łączyć, przez
wypustki zwane aksonami (rys. 2), nawet z ponad dziesięcioma tysiącami innych neuronów. Miejsce
połączenia zakończenia aksonu z ciałem następnego neuronu zwane jest synapsą. Przetwarzanie
informacji w neuronie opiera się na sumowaniu potencjałów postsynaptycznych, powstających w
odpowiedzi na impulsy dochodzące z zakończeń aksonów innych neuronów. Jeśli wypadkowy
potencjał przekroczy próg, generowany jest impuls, który przemieszcza się wzdłuż aksonu jako
potencjał czynnościowy. Gdy dotrze do synapsy, pobudza kolejny neuron drogą chemiczną, dzięki
neurotransmiterom (wyjątkiem są synapsy elektryczne, występujące częściej niż sądzono pierwotnie
[5]). Jeśli suma wygenerowanych w ten sposób potencjałów postsynaptycznych przekroczy próg
pobudzenia, generowany jest kolejny potencjał czynnościowy, który przemieszcza się... itd.
Neurony (komórki móżdżku) - rysunek z
„Estructura de los centros nerviosos de las
aves”, Santiago Ramon y Cajal, Madrid,
1905
Techniki obrazowania aktywności mózgu
Najpopularniejsze ostatnio techniki obrazowania czynności mózgu opierają się na prostym
spostrzeżeniu, że intensywnie pracująca komórka, która bierze udział w przetwarzaniu informacji
generując potencjały czynnościowe, potrzebuje do tego energii, a więc tlenu. Podobnie jak do
wszystkich innych komórek, tlen dostarczany jest do neuronów za pośrednictwem krwi, w której
nośnikiem tlenu jest hemoglobina. Zwiększone zapotrzebowanie na tlen w pewnym obszarze
powoduje zwiększony przepływ krwi w tym obszarze. Prowadzi to do lokalnych zmian w stężeniu oxyi deoxyhemoglobiny. W zależności od utlenienia, hemoglobina (oxyHb/deoxyHb) ma różne
właściwości magnetyczne, jak również inną absorpcję światła w bliskiej podczerwieni. Te różnice
wykorzystywane są w funkcjonalnym jądrowym rezonansie magnetycznym (functional Magnetic
Resonance Imaging, fMRI) i spektroskopii bliskiej podczerwieni (Near Infrared Spectroscopy, NIRS).
Obrazują one z dobrą rozdzielczością przestrzenną obszary o wzmożonym metabolizmie. Jednak
metabolizm w mózgu jest tylko pośrednio związany z faktycznym przetwarzaniem informacji w
mózgu, które, jak opisano powyżej, zachodzi za pośrednictwem impulsów elektrycznych. Maksimum
odpowiedzi hemodynamicznej (tj. odpowiedzi związanej z przepływem krwi) występuje zwykle kilka
sekund później niż maksimum aktywności elektrycznej neuronów.
Różne techniki obrazowania mózgu w sali przestrzennej i czasowej.
Oznaczenia: EEG – elektroencefalografia, MEG – magnetoencefalografia,
NIRS - spektroskopia bliskiej podczerwieni, (f)MRI – (funkcjonalny)
rezonans magnetyczny, CT – tomografia komputerowa, PET – pozytonowa
tomografia emisyjna, VSD – voltage sensitive dyes, patch clamp - technika
„łatkowa”. Jak widać EEG i MEG charakteryzuje się ograniczoną
rozdzielczością przestrzenna, doskonałą rozdzielczością czasową i
szerokim zakresem w skali czasowej.
Pozytonowa tomografia emisyjna (Positron Emission Tomography, PET) pozwala, dzięki
specyficznym znacznikom radioizotopowym wstrzykiwanym do krwi, na śledzenie obszarów mózgu o
wzmożonej aktywności ale oferuje znacznie niższą rozdzielczość czasową i obciąża pacjenta
promieniowaniem. Tomografia komputerowa (Computer Tomography, CT), podobnie jak opierająca
się na tych samych zjawiskach fizycznych fotografia Rentgenowska, może obrazować tylko strukturę,
a nie funkcjonowanie mózgu. Poza tym, absorpcja promieniowania rentgenowskiego znacznie lepiej
różnicuje kości niż tkanki miękkie. Spośród wielkości, które potrafimy mierzyć, najbardziej
bezpośrednio skorelowane z przetwarzaniem informacji przez mózg są ślady potencjałów
postsynaptycznych, czyli opisywane w tym skrypcie sygnały EEG i MEG. Specjalne elektrody,
wszczepiane do mózgu, pozwalają mierzyć lokalne potencjały polowe (LFP) pochodzące od prądów
postsynaptycznych w pewnym obszarze. Jest to jednak metoda drastycznie inwazyjna, podobnie jak
zapisy in vivo z elektrod wszczepianych do pojedynczych komórek nerwowych zwierząt
doświadczalnych, pozwalające mierzyć występowanie potencjałów czynnościowych. Napięciowoczułe
barwniki (voltage sensitive dyes, VSD) pozwalają rejestrować zmiany napięcia na błonach
komórkowych pojedynczych neuronów lub ich populacji. Są jednak stosowane tylko do preparatów
tkanki mózgowej in vitro. Podobnie jak technika "łatkowa" (patch clamp) będąca w stanie mierzyć
aktywność pojedynczych kanałów jonowych w błonie komórkowej neuronu, umieszczonego w
probówce. Jak widać na rys. 3, technika EEG i MEG charakteryzuje się bardzo dobrą rozdzielczością
czasową i dużą rozpiętością czasową badanych zjawisk. Rozdzielczość przestrzenna jest ograniczona
z powodu przestrzennego uśredniania aktywności dużych populacji neuronów dających przyczynek
do zapisów EEG/MEG. Przy swoich dużych zaletach, niski koszt aparatury EEG powoduje, ze
technika ta jest szeroko stosowanym narzędziem badawczym i klinicznym.