4 úžasné techniky zobrazování mozku
Mozková věda dosáhla v posledních desetiletích obrovského pokroku a naše znalosti o mozku, které zdaleka nejsou úplné, se nesmírně rozšířily. Tyto pokroky byly umožněny díky různým technikám zobrazování mozku, které byly objeveny v průběhu tohoto století. V tomto příspěvku si projdeme 4 nejúžasnější z těchto technik
Elektroencefalografie (EEG)
EEG lze považovat za otce neurozobrazovacích technik, protože se jedná o první techniku použitou k měření (elektrické) aktivity živého mozku. Hans Berger zaznamenal první EEG člověka v roce 1924. Přístroje EEG od té doby značně pokročily, takže jsou spolehlivější, přenosnější, mají více elektrod a jsou dokonce bezdrátové. Techniky interpretace a analýzy dat EEG také značně pokročily. Byly vyvinuty komplexní techniky analýzy EEG dat (jejich stručný přehled naleznete zde), jako je například takzvaná EEG-tomografie. Pomocí této techniky můžeme vytvořit 3D mapu vnitřku mozku, a to pouhým měřením elektrických potenciálů ve skalpu mozku.
EEG je levné, neinvazivní, poměrně snadno se nastavuje a časové rozlišení je vynikající: až na méně než 1 ms nebo jinými slovy nižší než doba potřebná k akčnímu potenciálu. Na druhou stranu je prostorové rozlišení EEG vyšší než u jiných technik zobrazování mozku (asi 1-2 cm).
Magnetická rezonance (MRI)
Představuje svatý grál v technikách zobrazování mozku i pro lékařské zobrazování obecně. MRI je relativně nová technika (první snímek MRI byl publikován v roce 1973). Paul Lauterbur a Peter Mansfield, průkopníci techniky MRI, obdrželi v roce 2003 Nobelovu cenu za medicínu. Velmi stručně řečeno, MRI využívá silná magnetická pole a elektromagnetické pulzy k excitaci protonů, které následně generují foton, než se rozpadnou do normálního stavu. Tyto fotony jsou pak měřeny pomocí MRI a může být vytvořena mapa živé tkáně. MRI má velké prostorové rozlišení (2-3 mm), což ji činí velmi vhodnou pro výzkumné i klinické aplikace. Nevýhodou je časové rozlišení, které je poměrně nízké (vyšší než 1 sekunda). Také zařízení pro MRI je velmi drahé, objemné, a tudíž nepřenosné a nevhodné pro použití mimo laboratoř.
Spektroskopie v blízkém infračerveném spektru (NIRS)
Jedná se o relativně novou techniku: lékařské a fyziologické aplikace byly vyvinuty teprve v posledních několika desetiletích. Podstatou je připevnění zdroje NIR světla na pokožku hlavy a detektoru NIR světla. Tímto způsobem lze získat údaje o propustnosti a míře absorpce NIR světla v lidských tkáních, které obsahují informace o změnách koncentrace hemoglobinu. Stává se, že když je určitá oblast mozku aktivní, zvyšuje se její potřeba kyslíku, a tím se zvyšuje i koncentrace hemoglobinu. NIRS může získat informace pouze z korových tkání, protože NIR světlo je plně absorbováno v hlubších oblastech mozku. Také časové rozlišení NIRS je podobné jako u MRI, protože získáváme podobné informace, tedy změny průtoku krve. Výhodou NIRS je přenosnost, snadné použití a to, že je levná. Z těchto důvodů se NIRS uplatňuje v mnoha aplikacích rozhraní mozku s počítačem (BCI).
Pozitronová emisní tomografie (PET)
Jedná se o velmi zajímavou techniku, při níž se k získání informací z mozku používá několik fyzikálních konceptů: od částicové fyziky až po kvantovou fyziku. Stručně řečeno, zkoumanému subjektu se vstříkne radioaktivní značka, která obsahuje izotopy, jež se rozpadnou na částice s nižší energií, a při tomto procesu vzniknou pozitrony, které se srazí s elektrony a poté se přemění na fotony, které lze detekovat pomocí PET. Nicméně tato technika zobrazování mozku je invazivní (subjektu je aplikována radioaktivní látka), drahá (k vytvoření radioaktivního izotopu je zapotřebí sincrotron) a není přenosná (PET je poměrně velký). Na druhou stranu je kvalita snímků PET poměrně vysoká a kromě jiných (klinických) aplikací se hojně využívá k detekci mozkových nádorů.
Existuje několik dalších zajímavých neurozobrazovacích technik, ale aby byl tento příspěvek dostatečně krátký, uvedu je jen stručně:
- Elektrokortikogram (EcoG): vyžaduje otevření lebky a umístění soustavy elektrod do povrchu mozkové kůry. Zaznamenává elektrické signály, ale ve vyšší kvalitě než EEG.
- Magnetoencefalogram (MEG): Podobně jako EEG, ale v tomto případě zaznamenává magnetická pole, která vytvářejí neurony při svém vzplanutí.
- Počítačem asistovaná tomografie (CAT): Provádí se mnoho rentgenových snímků z mnoha různých úhlů. Na základě těchto informací lze vytvořit 3D obraz mozku. Pozor: Expozice pacientů radioaktivitou je značná.
- Mikroelektrodové soustavy (MEA): Používá se pro in-vitro kultury neuronů a umožňuje měřit jednotlivé akční potenciály, čímž se získá přístup k základním komunikačním mechanismům mezi neurony.