4 fantastiske teknikker til afbildning af hjernen
Hjernevidenskaben har gjort enorme fremskridt i de seneste årtier, og vores forståelse af hjernen er langt fra komplet, men er blevet enormt forbedret. Disse fremskridt er blevet gjort mulige takket være de forskellige hjerneafbildningsteknikker, der er blevet opdaget i løbet af det sidste århundrede. I dette indlæg vil vi gennemgå de 4 mest fantastiske af disse teknikker
Elektroencefalografi (EEG)
EEG kan betragtes som faderen til neuroafbildningsteknikkerne, da det er den første teknik, der blev brugt til at måle (elektrisk) aktivitet i den levende hjerne. Hans Berger optog det første EEG af et menneske i 1924. EEG-apparater er blevet meget mere avancerede siden da, hvilket har gjort dem mere pålidelige, mere bærbare, med flere elektroder og endda trådløse. EEG-tolkning og dataanalyseteknikker er også blevet meget mere avancerede. Der er blevet udviklet komplekse EEG-dataanalyseteknikker (en kort oversigt kan findes her), såsom den såkaldte EEG-tomografi. Med denne teknik kan vi lave et 3D-kort over hjernens indre, blot ved at måle de elektriske potentialer i hjernens hovedbund.
EEG er billigt, ikke-invasivt, relativt let at opstille, og tidsopløsningen er fremragende: ned til mindre end 1 ms eller med andre ord mindre end den tid, der er nødvendig for at have et aktionspotentiale. På den anden side er den rumlige opløsning af EEG højere end andre hjerneafbildningsteknikker (ca. 1-2 cm).
Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)
Det repræsenterer den hellige gral inden for hjerneafbildningsteknikker samt for medicinsk billeddannelse generelt. MRI er en relativt ny teknik (det første MRI-billede blev offentliggjort i 1973). Paul Lauterbur og Peter Mansfield, pionerer inden for MRI-teknikker, modtog Nobelprisen for medicin i 2003. Meget kort fortalt bruger MRI stærke magnetfelter og elektromagnetiske impulser til at excitere protoner, som derefter genererer en foton, inden de henfalder til deres normale tilstand. Disse fotoner måles derefter af MR-scanningen, og der kan dannes et kort over et levende væv. MRI har en stor rumlig opløsning (2-3 mm), hvilket gør den meget velegnet til både forskning og kliniske anvendelser. Ulempen er den tidsmæssige opløsning, som er ret lav (højere end 1 sekund). Desuden er MRI-udstyret meget dyrt, voluminøst og derfor ikke transportabelt og uegnet til brug uden for laboratoriet.
Nær infrarød spektroskopi (NIRS)
Dette er en relativt ny teknik: medicinske og fysiologiske anvendelser er først blevet udviklet i de sidste par årtier. Idéen er at anbringe en NIR-lyskilde på hovedbunden og en NIR-lysdetektor. På den måde kan man få NIR-lysets transmissions- og absorptionshastighed i det menneskelige væv, som indeholder oplysninger om ændringerne i hæmoglobinkoncentrationen. Det sker, at når et bestemt område af hjernen er aktivt, stiger dets iltbehov, og dermed stiger også hæmoglobinkoncentrationen. NIRS kan kun få oplysninger fra kortikalt væv, da NIR-lyset absorberes fuldt ud i dybere områder af hjernen. NIRS’ tidsmæssige opløsning svarer også til MRI, da vi opnår lignende oplysninger, dvs. ændringer i blodgennemstrømningen. Fordelene ved NIRS er bærbarhed, brugervenlighed og at det er billigt. Af disse grunde er NIRS blevet anvendt i mange BCI-applikationer (Brain Computer Interface).
Positronemissionstomografi (PET)
Dette er en meget cool teknik, hvor flere fysiske koncepter anvendes for at udtrække oplysninger fra hjernen: fra partikelfysik til kvantefysik. Kort fortalt injiceres den undersøgte person med en radioaktiv markør, der indeholder isotoper, som vil henfalde til partikler med lavere energi og i den proces vil skabe positroner, som vil kollidere med elektroner og derefter omdannes til fotoner, der kan detekteres af PET-scanningen. Denne teknik til afbildning af hjernen er imidlertid invasiv (forsøgspersonen injiceres med et radioaktivt stof), dyr (for at skabe den radioaktive isotop er der brug for en sincrotron) og ikke transportabel (PET er ret stor). På den anden side er kvaliteten af PET-billederne ret høj og anvendes i vid udstrækning til påvisning af hjernetumorer blandt andre (kliniske) anvendelser.
Der findes nogle andre interessante neuroafbildningsteknikker, men for at holde dette indlæg kort nok vil jeg blot kort nævne dem:
- Elektrokortikogram (EcoG): kræver åbning af kraniet og anbringelse af et elektrodefelt i cortexens overflade. Det registrerer elektriske signaler, men af højere kvalitet end EEG.
- Magnetoencephalogram (MEG): Ligesom EEG, men i dette tilfælde registreres de magnetfelter, der produceres af neuronerne, når de affyres.
- Computerassisteret tomografi (CAT): Der foretages en masse røntgenbilleder fra mange forskellige vinkler. Med disse oplysninger kan der fremstilles et 3D-billede af hjernen. Forsigtig: Der er tale om en betydelig radioaktivitetseksponering af patienterne.
- Micro Electrode Arrays (MEA’er): Anvendes til in vitro-neuronkulturer og gør det muligt at måle individuelle aktionspotentialer, hvorved man får adgang til de mere grundlæggende kommunikationsmekanismer mellem neuroner.