4 fantastiska tekniker för hjärnavbildning
Hjärnforskningen har gjort enorma framsteg under de senaste decennierna, och vår förståelse av hjärnan har ökat enormt, även om den är långt ifrån fullständig. Dessa framsteg har möjliggjorts tack vare de olika tekniker för hjärnavbildning som upptäckts under det senaste århundradet. I det här inlägget kommer vi att gå igenom de 4 häftigaste av dessa tekniker
Elektroencefalografi (EEG)
EEG skulle kunna betraktas som fader till neuroavbildningsteknikerna, eftersom det är den första tekniken som används för att mäta (elektrisk) aktivitet i den levande hjärnan. Hans Berger spelade in det första EEG:et av en människa 1924. EEG-apparater har utvecklats mycket sedan dess, vilket har gjort dem mer tillförlitliga, mer bärbara, med fler elektroder och till och med trådlösa. Teknikerna för EEG-tolkning och dataanalys har också utvecklats mycket. Komplexa tekniker för analys av EEG-data har utvecklats (en kort översikt finns här), till exempel den så kallade EEG-tomografin. Med denna teknik kan vi göra en 3D-karta över hjärnans inre, bara genom att mäta de elektriska potentialerna i hjärnans hårbotten.
EEG är billigt, icke-invasivt, relativt enkelt att installera och tidsupplösningen är utmärkt: ner till mindre än 1 ms eller, med andra ord, kortare än den tid som behövs för att ha en aktionspotential. Å andra sidan är EEG:s rumsliga upplösning högre än andra tekniker för avbildning av hjärnan (ca 1-2 cm).
Magnetisk Resonans Imagery (MRI)
Det är den heliga graalen inom tekniker för avbildning av hjärnan samt för medicinsk avbildning i allmänhet. MRT är en relativt ny teknik (den första MRT-bilden publicerades 1973). Paul Lauterbur och Peter Mansfield, pionjärer inom MRT-teknik, fick Nobelpriset i medicin 2003. Mycket kortfattat använder MRT starka magnetfält och elektromagnetiska pulser för att excitera protoner som sedan genererar en foton innan de sönderfaller till sitt normala tillstånd. Dessa fotoner mäts sedan av MRT och en karta över en levande vävnad kan skapas. MRT har en stor rumslig upplösning (2-3 mm), vilket gör den mycket lämplig för både forskning och kliniska tillämpningar. Nackdelen är den temporala upplösningen, som är ganska låg (högre än 1 sekund). Dessutom är MRI-utrustningen mycket dyr, skrymmande och därmed inte bärbar och olämplig för användning utanför laboratoriet.
Near InfraRed Spectroscopy (NIRS)
Detta är en relativt ny teknik: medicinska och fysiologiska tillämpningar har utvecklats först under de senaste decennierna. Tanken är att fästa en NIR-ljuskälla på hårbotten och en NIR-ljusdetektor. På så sätt kan man få fram NIR-ljusets transmissions- och absorptionshastighet i mänskliga vävnader, vilket innehåller information om förändringar i hemoglobinkoncentrationen. När ett visst område i hjärnan är aktivt ökar dess syrebehov och därmed också hemoglobinkoncentrationen. NIRS kan endast få information från kortikala vävnader, eftersom NIR-ljuset absorberas helt och hållet i djupare delar av hjärnan. Dessutom är NIRS temporala upplösning likartad med MRT, eftersom vi får liknande information, det vill säga förändringar i blodflödet. Fördelarna med NIRS är bärbarhet, användarvänlighet och att det är billigt. Av dessa skäl har NIRS tillämpats i många tillämpningar av Brain Computer Interface (BCI).
Positronemissionstomografi (PET)
Det här är en mycket häftig teknik där flera fysikaliska begrepp tillämpas för att utvinna information från hjärnan: från partikelfysik till kvantfysik. I korthet injiceras den studerade personen med en radioaktiv markör som innehåller isotoper som kommer att sönderfalla till partiklar med lägre energi, och i den processen skapas positroner som kolliderar med elektroner och sedan omvandlas till fotoner som kan detekteras av PET. Denna teknik för avbildning av hjärnan är dock invasiv (försökspersonen injiceras med ett radioaktivt ämne), dyr (för att skapa den radioaktiva isotopen behövs en sincrotron) och inte bärbar (PET är ganska stor). Å andra sidan är kvaliteten på PET-bilderna ganska hög och används i stor utsträckning för att upptäcka hjärntumörer, bland andra (kliniska) tillämpningar.
Det finns en del andra intressanta neuroavbildningstekniker, men för att hålla det här inlägget tillräckligt kort kommer jag bara att kortfattat räkna upp dem:
- Elektrokortikogram (EcoG): Kräver att man öppnar skallen och placerar ett elektroderegister på ytan av hjärnbarken. Det registrerar elektriska signaler, men av högre kvalitet än EEG.
- Magnetoencefalogram (MEG): Liksom EEG, men i det här fallet registreras de magnetfält som produceras av neuronerna när de avfyras.
- Computer Assisted Tomography (CAT): Många röntgenbilder görs från många olika vinklar. Med denna information kan en 3D-bild av hjärnan framställas. Försiktighet: Patienterna exponeras för radioaktivitet på ett betydande sätt.
- Micro Electrode Arrays (MEAs): Används för neuronkulturer in vitro och gör det möjligt att mäta enskilda aktionspotentialer, vilket ger tillgång till de mer grundläggande kommunikationsmekanismerna mellan neuroner.