"Powstał instrument przerastajacy potrzeby jego właściciela" - Alfred Russel Wallace -komentarz na temat mózgu.

PSYCHOMETRIA

W celu badania funkcji mózgu w zakresie percepcji, zdolności poznawczych, pamięci i emocji psychologowie polegają na przeprowadzaniu(rozwiązywaniu) odpowiednio dobranych testów. Badanie przeprowadzone za pomocą jakiegokolwiek testu psychologicznego musi odpowiedzieć na kilka pytań (Choynowski, 1959).  

• Co można powiedzieć o możliwym zachowaniu się osoby badanej w tym samym czasie?
• Co można powiedzieć o zachowani się osoby badanej w przyszłości? 
• Co można powiedzieć o innego typu możliwym zachowaniu się osoby badanej w tym samym czasie?
• Co można powiedzieć o przynależności osoby badanej, do jakiejś wyróżnionej za pomocą innego kryterium niż wynik testowy, grupy?

   Testy psychologiczne są wykorzystywane do identyfikacji osób o określonych charakterystykach psychologicznych.

• Co można powiedzieć o pewnych procesach fizjologicznych zachodzących w organizmie osoby badanej?

 Są takie testy, których konstruktorzy założyli, że na podstawie odpowiedzi udzielanych przez osoby badane na pytania testowe(kwestionariusze osobowości) będzie można wnioskowac o przebiegu procesów fizjologicznych zachodzących w organizmach tych osób. Taki test poza wartością naukową ma również wymierną wartości praktyczną, umożliwia, bowiem, w sposób bardzo tani i niewykorzystujący drogiej aparatury pomiarowej, dokonanie diagnozy stanu określonych procesów fizjologicznych – pobudzenia, temperamentu itp. Np: Kwestionariusz Temperamentu PTS Strelaua, Zawadzkiego i Angleitnera składa się z trzech skal, odnoszących się do Siły Procesu Pobudzenia (SPP), Siły Procesu Hamowania (SPH) oraz Ruchliwości Procesów Nerwowych (RPN). Test psychologiczny jest specyficzną metodą badawczą, wypracowaną na gruncie psychologii. Oczywiste jest wtedy, ze osobą „kompetentną do posługiwania się testami jest właśnie psycholog.

NEUROMETRIA

Niedawno wyłoniona dziedzina neuronauk.  Bazuje na pomiarze  czynności elektrycznej mózgu ludzkiego. Elekrofizjologiczne parametry funkcjonowania mózgu rzucają nowe jakościowe podejście do jego badań w przypadku normy jak i odstępstwa od  niej. W neurometrii  istnieje dwa podejścia opierające się o pomiar aktywności elektrycznej z powierzchni głowy za pomocą wielokanałowej głowicy EEG. Pierwsze z nich polega na analizie spektrum sygnału  EEG. Drugie opiera się na również pomiarach z głowicy EEG, ale w kontekście potencjałów wywołanych ERPs. Takie badanie mierzy elektryczne reakcje mózgu na bodźce i zachowanie w testach wykonawczych.  Inną , interesującą  metoda jest rejestracja aktywności magnetycznej mózgu za pomocą urządzenia MEG. Wymienione metody oceny aktywności mózgu u ludzi są nieinwazyjne i bez skutków ubocznych. Metody te badają   aktywność zespołów neuronów, tworzących sieci neuronalne w określonych okolicach mózgu.

Ale kiedyś było trochę trudniej

Gdy neuron zostaje pobudzony, wytwarza impuls, zwany potencjałem czynnościowym. Jony sodu przedostają się wówczas przez błonę komórkową, zmieniając na krótko potencjał wnętrza neuronu z ujemnego na dodatni. Impulsy elektryczne mogą być mierzone za pomocą elektrod bezpośrednio z neuronów. Tak zwane badania elektrofizjologiczne są zazwyczaj przeprowadzane na zwierzętach i obejmują rejestracją pobudzenia pojedynczych neuronów. Technicznie jest to bardzo trudne, ponieważ neurony są niezwykle małe. Odczyty są dokonywane za pomocą bardzo cienkich igieł wprowadzonych do mózgu., Badany obiekt jest znieczulony i wystawiony na oddziaływanie bodźców zmysłowych lub gdy jest przytomny realizuje określone zadania. Technika ta umożliwia bezpośredni pomiar pobudzenia neuronu.  Rejestracja aktywności neuronalnej w mózgu człowieka jest szczegó1nie trudna. Bardzo rzadko możliwe było zaobserwowanie, co się dzieje w czasie stymulacji elektrycznej komórek ludzkiego mózgu. Badania takie, dość rzadkie, dostarczają zdumiewające Bogactwem ujawnianych szczegółów dotyczących wspomnień, emocji i działań, do których można dotrzeć za pomocą zwykłego „dotknięcia” określonej komórki nerwowej, a raczej grup setek lub tysięcy komórek nerwowych. Amerykański neurochirurg Wilder Penfield był pierwszym, który wykazał, ze możliwe jest stymulowanie grup neuronów w mózgach pacjentów podczas operacji chirurgicznej mózgu. Osoby, które dobrowolnie uczestniczyły w tych badaniach, zwykle przechodziły operację na otwartej czaszce w celu wyleczenia epilepsji. Jest to możliwe, gdyż mózg nie zawiera receptorów bólowych, więc pacjent może być przytomny i świadomy podczas operacji, nie odczuwając żadnego bólu. Ku swojemu zdumieniu Penfield odkrył, ze stymulacja niewielkich obszarów w korze skroniowej powoduje, ze pacjentów pojawiają się żywe wspomnienia z dzieciństwa. Niektórzy chirurdzy wolą utrzymywać pacjentów w stanie przytomności podczas operacji mózgu przede wszystkim po to, aby dowiedzieć się, w jakim miejscu dokonują cięcia, wiedząc, że nie powinni ciąć w tych okolicach mózgu, które podczas stymulacji oddziałują na określone funkcje poznawcze.

I z powrotem witam w XXI wieku.

---

EEG (Elektroencefalogram)

Zmiany potencjału we wszystkich pobudzonych neuronach wytwarzają nie wielkie pola elektryczne, które promieniuje przez tkankę mózgową i kości czaszki. Mogą być one uchwycone za pomocą elektrod przymocowanych do skóry na głowie, wg standardu 10/20, a uzyskany w ten sposób zapis czynności mózgu nosi nazwę Elektroencefalogramu (EEG). Spontaniczne EEG w zdrowym mózgu jest mieszanką rożnych rytmów, które są dzielone na rytmy delta, theta, alfa, beta. Najnowsze badania wskazują na to, iż każdy z tych rytmów generowany jest przez konkretną siec neuronalną. EEG mierzy aktywność   określonych populacji neuronów.  Sygnał  „zczytany” z elektrod jest wzmacniany ok. 1 000 000 razy, filtrowany i zapisywany w formie elektronicznej. Odnosząc uzyskane wyniki do norm staramy się określić potencjalny problem  pacjenta. Analizie podlega spektrum spontanicznej czynności mózgu badanej osoby. Drugą młodością EEG jest wykorzystanie go w metodzie Neurofeedback.

ERPs (Metoda potencjałów wywołanych- Event Related Potentials)

Ważnym aspektem funkcjonowania mózgu jest odpowiedz mózgu na stymulację i reakcje powstające w odpowiedzi na nią. Bioelektryczna odpowiedz mózgu mierzona jest za pomocą potencjałów związanych z określonymi wydarzeniami, które są generowane przez neurony kory. Są one  nagrywane poprzez elektrody umieszczone na skórze głowy. Świadczą o przepływie informacji przez rożne obszary kory mózgowej. Przepływ  informacji wywoływany jest jakimś zdarzeniem (na przykład powtarzalny bodziec prezentowany  sekwencyjnie podczas zadania rozpoznania zmysłowego lub powtarzalne wykonywanie jakiejś czynności podczas prostego zadania ruchowego). Analizie podlega spektrum prowokowanej czynności mózgu badanej osoby. Wiele badań pokazało znaczenie tych charakterystycznych odpowiedzi mózgu pomocnych dla wskazania pacjentów z rożnymi dysfunkcjami mózgu. Moc diagnostyczna metody potencjałów wywołanych (ERPs) wzrosła wraz z pojawieniem się nowych technik matematycznych takich jak Analiza Niezależnych Składowych (Independent Component Analysis –ICA), co pozwoliło na skuteczne odfiltrowanie z danych  sygnału EEG zakłóceń od ruchu gałek ocznych.

   Warto zwrócić uwagę na pewien aspekt historyczny, z polskim akcentem, zwiazany z rozwojem tej metody badawczej. Otóż w 1962 roku skonstruowano cyfrowy komputer CAT (Computer for Averaging Transients), którego jedynym zadaniem byto uśrednianie potencjałów wywołanych. Pierwszym polskim badaczem, używającym takiego aparatu, był Prof. Tadeusz Bacia (1964). W drugiej połowie lat 60-tych w polskim środowisku naukowym podjęto wysiłki zmierzające do zbudowania polskiego komputera uśredniającego. Do pomysłu zapalił się ówczesny kierownik Katedry Maszyn Matematycznych Politechniki Warszawskiej, prof. Antoni Kiliński. Stosunkowo szybko zdobyto pieniądze i związał się zespół naukowo-badawczy. Był rok  1966. Zespół złożony z dr. inz. Konrada Fijałkowskiego, dr.inż. Tadeusza Jankowskiego, dr.inz. Jerzego Szewczyka,  mgr inż. Michała Wołyńskiego i mgr inż. Michała Rawskiego, zbudował komputer o nazwie ANOPS (Analizator Okresowych Przebiegów Szumowych). Anopsa rozwijano przez wiele lat. Powstało kilka modeli ANOPS, m.in. w 1966 ANOPS-1 oparty na lampach elektronowych, w 1971 ANOPS-10 oparty na tranzystorach i ANOPS-101 w 1975 oparty na układach scalonych. W latach 1967-1986 wyprodukowano łącznie 150 egzemplarzy tych urządzeń. W latach 1975-1984 Anopsy eksportowano do wielu krajów, w tym do USA, i wszędzie cieszyły się uznaniem. Mimo licznych zamowień, w roku 1984 rozwiązano zespół  i stopniowo wygaszono produkcję, z trudnych obecnie do odtworzenia przyczyn. Zmarnowano zapał i trud wielu ludzi, zaprzepaszczono niezwykłą szansę dla polskiej myśli technicznej. Miejsce Anopsa zajęły komputery osobiste. Epoka pionierów minęła.

 MEG (Magnetoencefalografia)

Techniką obrazowania stosowane do pomiaru pola magnetycznego wytwarzanego w wyniku aktywności elektrycznej mózgu. Pole jest mierzone na zewnątrz głowy za pomocą niezwykle czułych detektorów pola magnetycznego(SQUID), w oparciu o nadprzewodnictwo i technikę kwantową. Współczesne MEGi to ponad 300 “ośmiorniczek”- detektorów pola w potężnym kasku wypełnionym płynnym helem w wyizolowanych od wszelkich zakłóceń magnetycznych pomieszczeniach (nawet od ziemskiego pola magnetycznego). Urządzenie pozwala na praktycznie jednoczesne badanie całej głowy. Pomiary te są dość powszechnie na „zachodzie „. Stosowane w badaniach klinicznych. Istnieje wiele zastosowań dla MEG, w tym wspieranie lekarzy w lokalizacji patologii, naukowców w określaniu funkcji różnych części mózgu. Jest pomocna(ale za droga)  w kontekście ustalania strategii terapii Neurofeedback i innych.

 

---

Zasada ścisłego sprzężenia między aktywnością neuronalną, a skojarzonym z nią metabolizmem glukozy i tlenu, a także przepływem krwi, leży u podstaw dwóch najpowszechniej wykorzystywanych technik neuroobrazowania – PET i MRI. Gdy populacja neuronów zostanie pobudzona, potrzebny jest im dopływ większej ilości krwi w celu uzupełnienia zapasów tlenu i glukozy, które są dla nich źródłem energii. Regularne dostawy energii mają olbrzymie znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania mózgu. Zużywa on ponad 20% całej energii wydatkowanej przez organizm. A nowe urządzenia śledza to na różne sposoby.

KT (Komputerowa Tomografia)

Obrazy diagnostyczne w TK powstają dzięki różnicy w stopniu pochłaniania promieniowania rentgenowskiego przez rożne tkanki, w zależności od ich budowy atomowej. Wprowadzenie TK wielorzędowego zmieniło sposób obrazowania.Duża liczba danych, tysięce warstw poprzecznych sprawia, ze podstawą oceny stanu pacjenta są rekonstrukcje przestrzenne i trójwymiarowe.

Angiografia TK obrazuje naczynia w fazie tętniczej po dożylnym podaniu jodowego środka kontrastowego.

Perfuzja TK umożliwia ilościową oceną krążenia w badanym obszarze mózgowia. Polega ona na ocenie zmian gęstości tkankowej, zależnej od przepływu środka kontrastowego przez łożysko naczyniowe badanych obszarów. Po przetworzeniu komputerowym poszczególne parametry przepływu krwi przedstawione s przedstawione są w postaci map i wykresów.

PET (Pozytonowa Emisyjna Tomografia)

Badanie PET należy do dziedziny technik medycyny nuklearnej. Urządzenie służy do oceny metabolizmu mózgowia. Polega na wstrzyknięciu do układu krążenia badanej osoby drobnych ilości substancji chemicznej wyznakowanej atomami radioaktywnymi (tzw. kontrast) o bardzo krótkim okresie połowicznego rozpadu. Wraz z krwią kontrast rozprzestrzenia się po całym organizmie. Kontrast płynąc krwią w mózgu emituje pozytony, czyli dodatnie elektrony zwane również pozytronami. Specjalny detektor promieniowania  otaczający głową badanego, rejestruje umiejscowienie pozytonów emitowanych przez kontrast, a tym samym także krwi. Rozkład radioaktywnego izotopu widać na ekranie komputera i pozwala to na ustalenie szybkości zużywania tych molekuł przez komórki wskazujące na ich metabolizm. Następnie, w procesie zwanym „tomografią obliczeniowa”, komputery o dużej mocy na podstawie danych ze skanera PET tworzą wielokolorowy, trójwymiarowy obraz, na którym widać, w jakich okolicach mózgu nastąpił największy wzrost przepływu krwi. Metoda pozwala na bezwzględne pomiary zużycia tlenu i metabolizmu glukozy. Chociaż badania przy użyciu PET dostarczają niezwykle ważnych informacji, metoda ta wymaga niewielkich ilości substancji radioaktywnych. Ponadto PET charakteryzuje słaba rozdzielność przestrzenna. Coraz częściej PET ustępuje miejsca innym technikom neuroobrazowania, które nie wymagają wstrzykiwania substancji radioaktywnych.

MRI (Magnetyczny Rezonans)

Skanowanie mózgu za pomocą magnesów. W metodzie , opartej na wykorzystaniu bardzo silnego pola magnetycznego, uzyskuje się wysokiej jakości trójwymiarowe zdjęcia struktur mózgu bez wstrzykiwania radioaktywnego kontrastu. Duży cylindryczny magnes wytwarza pole magnetyczne wokół głowy badanego. W polu tym wysyłany jest impuls magnetyczny. Poszczególne struktury mózgu (np. : płyn mózgowo-rdzeniowy,  kości,  naczynia krwionośne, istota biała i szara mózgu,) mają  różne właściwości magnetyczne i dlatego wyglądają zróżnicowanie na obrazie MRI. Czujniki umieszczone wewnątrz skanera rejestrują sygnały pochodzące z poszczególnych struktur i na podstawie tych informacji  komputer  tworzy obraz. Za pomocą MRI naukowcy mogą uzyskiwać bardzo szczegółowe obrazy zarówno powierzchniowych, jak i głębokich struktur mózgu. Przypominają one zdjęcia rentgenowskie. Obrazowanie MR może być przeprowadzone w różnych sekwencjach. Pozornie nieznaczne zmiany w ustawieniu podstawowych parametrów obrazowania mogą doprowadzić do uzyskania nieco odmiennych danych, mających różne możliwości diagnostyczne. Ze względu na parametry podstawowe, metody obrazowania dzieli się na:

• obrazy T1-zależne najlepiej oddające wizualnie strukturę anatomiczną mózgu, gdzie istota biała jest ukazywana w jasnych kolorach, zaś istota szara w ciemnych, płyn mózgowo-rdzeniowy, ropień i guz na ciemno,
• obrazy T2-zależne, na których istota biała ukazywana jest w ciemniejszych barwach, zaś istota szara – w jaśniejszych, płyn mózgowo-rdzeniowy, guz, ropień, naczyniak– na jasno,
• FLAIR (ang. Fluid Light Attenuation Inversion Recovery), pewna modyfikacja sekwencji T2-zależnej, gdzie obszary z małą ilością wody ukazywane są w ciemniejszych barwach, zaś obszary z dużą ilością wody – w jaśniejszych. Obrazowanie w tej sekwencji znajduje dobre zastosowanie w wykrywaniu chorób demielinizacyjnych.
• Obrazowanie dyfuzyjne mierzy dyfuzję molekuł wody w tkance. Wyróżnia się tutaj następujące techniki: obrazowanie tensora dyfuzji (ang. PWI – perfusion weighted imaging), które może być zaadaptowane do obrazowania zmian w połączeniach istoty białej, oraz obrazowanie zależne od dyfuzji (ang. DWI – diffusion-weighted imaging), które wykazuje się dużą skutecznością w obrazowaniu udarów mózgu. DWi i PWI dostarczają informacji o funkcji OUN. 

 

fMRI(Funkcjonalny Rezonans Magnetyczny)

 W ciągu ostatnich kilkunastu lat opracowano technikę BOLD (ang. Blood Oxygenation Level Dependent, która umożliwia zastosowanie MRI do obrazowania mózgu w działaniu. Z użyciem fMRI tworzy się mapy aktywności funkcjonalnej mózgu w odpowiedzi na konkretne bodźce, lokalizuje się wyspecjalizowane grupy komórek odpowiadające za określone reakcje. W trakcie badania pacjent wykonuje określone zadania, które zmieniaja aktywność mózgu pomiędzy zdefiniowanymi stanami aktywności. Gdy neurony zostają pobudzone, potrzebny jest im dopływ większej ilości krwi w celu uzupełnienia zapasów tlenu. Wzrost przepływu krwi wynika ze zwiększenia neurotransmisji w miejscach wzmożonego metabolizmu. Ponieważ wzrost przepływu krwi jest większy niż wzrost zapotrzebowania na tlen i glukozę, dlatego w obszarach aktywnych dochodzi do spadku ekstrakcji tlenu i wzrostu stosunku oksyhemoglobiny (HbO2) do deoksyhemoglobiny(Hb). Obie postacie hemoglobiny mają różne własciwości magnetyczne, a to jest istotą tej techniki. Oksyhemoglobina jest diamagnetykiem, a deoksyhemoglobina jest paramagnetykiem. Specjalistyczny skaner  wykrywa  diamagnetyk transportowany z krwią, gdyż, co już wiemy, ma on właściwości magnetyczne. Tak samo jak PET mierzy ilość natlenionej  krwi dopływającej do poszczególnych okolic mózgu. Funkcjonalny rezonans magnetyczny dokładnie lokalizuje aktywne neurony w przestrzeni. Przewagą fMRI nad innym badaniem rejestrującym aktywność neuronów – EEG jest fakt, że obrazuje on cały mózg, a nie tylko korę mózgową. Ma praktycznie same zalety. Niestety jest drogim badaniem,a przez  to nie może być stosowany u wszystkich. Ponadto prowadzone są również próby stosowania fMRI jako wykrywacza kłamstw – inna regiony mózgu są aktywne kiedy zmyślamy niż gdy przywołujemy z pamięci rzeczywiste zdarzenia.

Przeciwwskazania stosowana metod działających z wykorzystaniem pól magnetycznych dotyczy osób z wszczepmi i protezami wykonannymi z ferromagnetyków, czyli np ze stali. Osób z klaustrofobią czy rozrusznikiem serca. Brak wspołpracy ze strony chorego i ruchy mimowolne też sa ograniczeniem dla tej metody badawczej.  

 

Powrót