4 mahtavaa aivojen kuvantamistekniikkaa
Aivotiede on edistynyt valtavasti viime vuosikymmeninä, ja ymmärryksemme aivoista, joka on kaukana täydellisestä, on lisääntynyt valtavasti. Nämä edistysaskeleet ovat olleet mahdollisia viime vuosisadan aikana löydettyjen erilaisten aivojen kuvantamistekniikoiden ansiosta. Tässä postauksessa käymme läpi neljä mahtavinta näistä tekniikoista
Electroencephalography (EEG)
EEG:tä voidaan pitää neurokuvantamistekniikoiden isänä, sillä se on ensimmäinen tekniikka, jota käytettiin elävien aivojen (sähköisen) toiminnan mittaamiseen. Hans Berger rekisteröi ensimmäisen ihmisen EEG:n vuonna 1924. EEG-laitteet ovat sittemmin kehittyneet huomattavasti, ja niistä on tullut luotettavampia, kannettavampia, useammilla elektrodeilla varustettuja ja jopa langattomia. Myös EEG:n tulkinta- ja tietojen analysointitekniikat ovat kehittyneet huomattavasti. On kehitetty monimutkaisia EEG-tietojen analyysitekniikoita (lyhyt katsaus löytyy täältä), kuten niin sanottu EEG-tomografia. Tämän tekniikan avulla voimme tehdä 3D-kartan aivojen sisätiloista vain mittaamalla sähköpotentiaalit aivojen päänahasta.
EEG on halpa, ei-invasiivinen, suhteellisen helppo asentaa ja sen aikaresoluutio on erinomainen: jopa alle 1 ms tai toisin sanoen pienempi kuin toimintapotentiaalin syntymiseen tarvittava aika. Toisaalta EEG:n spatiaalinen resoluutio on korkeampi kuin muilla aivojen kuvantamistekniikoilla (noin 1-2 cm).
Magneettiresonanssikuvaus (MRI)
Se edustaa aivojen kuvantamistekniikoiden ja lääketieteellisen kuvantamisen Graalin maljaa yleensä. Magneettikuvaus on suhteellisen uusi tekniikka (ensimmäinen magneettikuva julkaistiin vuonna 1973). Paul Lauterbur ja Peter Mansfield, magneettikuvaustekniikan pioneerit, saivat Nobelin lääketieteen palkinnon vuonna 2003. Lyhyesti sanottuna magneettikuvauksessa käytetään voimakkaita magneettikenttiä ja sähkömagneettisia pulsseja herättämään protoneja, jotka sitten tuottavat fotonin ennen kuin ne hajoavat normaalitilaansa. Nämä fotonit mitataan sitten magneettikuvauslaitteella, ja elävästä kudoksesta voidaan luoda kartta. Magneettikuvauksen alueellinen erottelukyky on suuri (2-3 mm), minkä vuoksi se soveltuu hyvin sekä tutkimukseen että kliinisiin sovelluksiin. Haittapuolena on ajallinen erottelukyky, joka on melko alhainen (yli 1 sekunti). Lisäksi magneettikuvauslaitteet ovat hyvin kalliita ja tilaa vieviä, joten ne eivät ole siirrettävissä ja soveltuvat huonosti laboratorion ulkopuoliseen käyttöön.
Nähempi infrapunaspektroskopia (NIRS)
Tämä tekniikka on suhteellisen uusi: lääketieteellisiä ja fysiologisia sovelluksia on kehitetty vasta viime vuosikymmeninä. Ideana on kiinnittää NIR-valonlähde päänahkaan ja NIR-valoilmaisin. Näin saadaan NIR-valon läpäisy- ja absorptioaste ihmisen kudoksissa, mikä sisältää tietoa hemoglobiinipitoisuuden muutoksista. Kun tietty aivojen alue on aktiivinen, sen hapentarve kasvaa ja siten myös hemoglobiinipitoisuus kasvaa. NIRS-menetelmällä voidaan saada tietoa vain aivokuoren kudoksista, koska NIR-valo absorboituu täysin aivojen syvemmillä alueilla. Lisäksi NIRS:n ajallinen erottelukyky on samanlainen kuin magneettikuvauksessa, koska saamme samanlaista tietoa eli verenkierron muutoksia. NIRS:n etuja ovat siirrettävyys, helppokäyttöisyys ja edullisuus. Näistä syistä NIRS:ää on sovellettu monissa aivo-tietokoneliittymäsovelluksissa (Brain Computer Interface, BCI).
Positroniemissiotomografia (PET)
Tämä on erittäin hieno tekniikka, jossa sovelletaan useita fysikaalisia käsitteitä tiedon saamiseksi aivoistamme: hiukkasfysiikasta kvanttilukufysiikkaan. Lyhyesti sanottuna tutkittavaan ruiskutetaan radioaktiivista merkkiainetta, joka sisältää isotooppeja, jotka hajoavat alemman energian hiukkasiksi, ja tässä prosessissa syntyy positroneja, jotka törmäävät elektroneihin ja muuttuvat sitten fotoneiksi, jotka PET-laite voi havaita. Tämä aivojen kuvantamistekniikka on kuitenkin invasiivinen (tutkittavaan ruiskutetaan radioaktiivista ainetta), kallis (radioaktiivisen isotoopin luomiseen tarvitaan sinikrotroni) eikä se ole kannettava (PET on melko suuri). Toisaalta PET-kuvien laatu on melko korkea, ja niitä käytetään laajalti muun muassa aivokasvainten havaitsemiseen ja muihin (kliinisiin) sovelluksiin.
On olemassa muitakin mielenkiintoisia neurokuvantamistekniikoita, mutta jotta tämä viesti pysyisi riittävän lyhyenä, luettelen ne vain lyhyesti:
- Sähkökortikogrammi (EcoG): edellyttää kallon avaamista ja elektrodiryhmän sijoittamista aivokuoren pinnalle. Tallentaa sähköisiä signaaleja, mutta laadukkaampia kuin EEG.
- Magnetoenkefalogrammi (MEG): Kuten EEG, mutta tässä tapauksessa sillä rekisteröidään neuronien tuottamat magneettikentät niiden syttyessä.
- Tietokoneavusteinen tomografia (CAT): Monet röntgenkuvat tehdään monesta eri kulmasta. Näiden tietojen avulla voidaan tuottaa 3D-kuva aivoista. Varoitus: Potilaiden radioaktiivisuusaltistus on huomattava.
- Mikroelektrodiryhmät (MEA): Käytetään in vitro hermosoluviljelmissä, ja sen avulla voidaan mitata yksittäisiä toimintapotentiaaleja, jolloin päästään käsiksi perustavanlaatuisempiin hermosolujen välisiin viestintämekanismeihin.