Analiza urazów powypadkowych.
Już Egipski papirus sprzed 3500 lat wymienia 28 uszkodzeń, dokonywano wtedy trepanacji czaszki by wyciąć guzy.
Arystoteles uznał serce za siedlisko uczuć i rozumu.
W -3 w. Herofilos, lekarz z Aleksandrii twierdził, że mózg odpowiedzialny jest za życie psychiczne.
Galen z Pergamonu: uszkodzenia rdzenia i paraliżem, móżdżka i koordynacja ruchów, "płyn umysłu" w komorach.

Andreas Vesalius (1514-1564, Flamandia), twórca nowożytnej anatomii, ostatecznie ustalił znaczenie mózgu. Kościół w tym czasie uznawał, że liczba żeber u mężczyzny powinna być z jednej strony mniejsza o jedno, bo z tego żebra powstała Ewa ...
Systematyczne badania skutków urazów rozpoczęło się w XIX wieku.
W 1838 Theodore Schwann i Matthias Schleiden opisali komórkową budowę organizmu, ale do końca 19 wieku nikt nie był pewien czy dotyczy to również mózgu. Spór pomiędzy zwolennikami ciągłej, siatkowatej organizacji materii mózgu i komórkowej, składającej się z neuronów, rozstrzygnął Santiago Ramon y Cajal (1852–1934), stosujac metodę barwienia opracowaną przez Golgiego.

Kontrolowane uszkodzenia mózgu możliwe są tylko w badaniach na zwierzętach, i pozwalają na analizę tylko prostych zachowań.
Hitzing i Fritsch, koniec XIX wieku stymulowali elektrycznie mózgi zwierząt.
Neurochirurgia zaczeła się około 1935 roku od lobotmii przedczołowej, przecinania połączeń pomiędzy wzgórzem i podwzgórzem a płatami czołowymi u osób z bardzo różnymi zaburzeniami psychicznymi, od schizofrenii po depresję. Antonio Moniz dostał za to nagrodę Nobla (1949), ale później okazało się, że taka procedura ma poważne skutki uboczne.
Operacje u pacjentów cierpiących na padaczkę: mapy Wilreda Penfielda z lat 1950.

Rozwój nie-inwazyjnych technik badania mózgu - początkowo tylko elektoencefalografii, EEG (Hans Berger, 1929).
Zastosowania diagnostyczne EEG pozwalają wczesnie wykryć głuchotę, skłonności do padaczki, zaburzenia neurologiczne.
Mapy aktywności EEG i korelacji pomiędzy elektrodami z różnych obszarów.
Zapis aktywności kilku neuronów - na zwierzętach.

Badania potencjałów wywołanych (ERP), czyli uśrednionych sygnałów EEG po wielu próbach.
Charakterystyczne sygnały dla reakcji poznawczych na pierwotny sygnał pojawiają się po 200-300 msek (odcinek P200 i P300), wzrost amplitudy proporcjonalny do stymulacji. P300 milisekund zależy od stanu wewnętrznego.

Istnieje obecnie wiele metod obrazowania medycznego.
Jaki jest ich cel? Wbrew powszechnemu mniemaniu nie jest to lokalizacja funkcji, bo sama lokalizacja daje tylko pozory wyjaśnienia i nie jest jednoznacza, gdyż wiele obszarów mózgu współpracuje ze sobą nad realizacją określonej funkcji, nie zawsze musi to być ta sama kombinacja aktywnych obszarów.
Celem jest zrozumienie architektury funkcjonalnej, mechanizmów wewnętrznych odpowiedzialnych za stany mentalne.

MEG, magnetoencefalografia: podobnie jak EEG, ale pozwalają dotrzeć do głębszych źródeł. Zalety: szybkozmienne sygnały. Wady: kosztowna aparatura, trudna interpretacja.
Arteriografia lub angiografia: po wstrzyknięciu kontrastu wykonuje się zdjęcia rentgenowskie, obrazuje tetnice.
Tomografia rentgenowska CAT (osiowa tomografia komputerowa): można wykryć guzy, dobrze widoczne różnice płyn CSF, kość, tkanka miękka, ale słabo widoczne tkanki. Wiązka krąży wokół głowy, z licznikiem po drugiej stronie. Dość bezpieczna i tania.
SPECT, Single Photon Emission Computed Tomography, lub scyntygrafia: spektroskopia pojedynczych fotonów z promieniotwórczych jąder ksenonu 133, jodu lub technetu. Tłumienie zależy od tkanki, przez którą przechodzą fotony, powoduje to słabą rozdzielczość. Pozwala wykryć różne substancje, dlatego jest to technika ważna dla medycyny.. Pozwala używać związków pochłanianych przez specyficzne struktury mózgu. Rozdzielczość czasowa rzędu 1 min, przestrzenna kilka cm.
Pozytonowa tomografia emisyjna (PET): wykrywa wprowadzony do krwi promieniotwórczy znacznik (np. glukoza z węglem 11C) podlegający rozpadowi beta i wysyłający pozytony. Pozytony anihilują z elektronami dając pary kwantów gamma, wykrywanych przez pary liczników wokół głowy. Konieczny jest akcelerator do wytwarzania krótkotrwałych substancji promieniotwórczych, 11C, 18F, 15O, 13N. Umożliwia obrazowanie przepływu krwi na bieżąco, wykrywanie ognisk padaczki, guzów mózgu, bardzo czuły na obecność śladowych ilości wybranych substancji (np. dopaminy). Eksperymenty psychologiczne - zwiększona praca danego obszaru zwiększa zapotrzebowanie na energię = dopływ krwi. PET po raz pierwszy pokazał lokalizację wielu funkcji psychicznych, stosowany w medycynie molekularnej.
Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), zwany rezonansowym obrazowaniem magnetycznym (MRI). Anatomiczny MRI: rezonans jąder wodoru, znajdujących się w różnych związkach chemicznych; protony (jądra wodoru) mają spin (kątowy moment pędu), a ponieważ są naładowane związany z tym moment magnetyczny. W silnym polu magnetycznym te momenty ustawiają się równolegle do linii tego pola. Krótkie impulsy zmiennego pola elektromagnetycznego o ścisle określonej częstości (w zakresie częstości radiowych) mogą doprowadzić do chwilowego odwrócenia spinów, a szybkość powrotu do stabilnego stanu początkowego (echo impulsu) zależy od oddziaływania momentów magnetycznych z innymi w danej tkance. Składowa równoległa do kierunku pola magnetycznego wraca średnio po czasie T1 do pierwotnego położenia; dla protonów w płynach mózgu jest to 1500-2000 ms, jeśli dominuje woda to 400-1200 ms, a tłuszcze mają 100-150 ms. Obrazy oparte na pomiarach T1 nazywane są T1- zależnymi, tkanka tłuszczowa (aksony, istota biała) są na nich białawe, tkanka neuronowa (istota szara) szara, a płyny (mózgowo-rdzeniowy i inne) ciemne. Składowe prostopadłe do kierunku pola mają krótsze czasy zaniku nazywane T2, rzędu 700-1200 ms dla płynów, 40-200 ms dla wody, i 10-100 ms dla tkanki tłuszczowej. Na obrazach T2-zależnych istota biała jest ciemna, szara jest szara a płyny jasne. Dla lepszego zróżnicowania obrazu tkanek zawierających wodę stosuje się modyfikację T2, zwaną FLAIR (Fluid Light Attenuation Inversion Recovery), pozwalającą na lepszą ocenę mielinizacji aksonów. MRI pozwala mierzyć gęstość tkanki osiągając dużą rozdzielczość rzędu 1 mm. Możliwa jest rekonstrukcja obrazów w różnych przekrojach w trzech wymiarach.

Przekrój pionowy (coronal), film (tylko lokalnie!).
Przekrój strzałkowy, film (tylko lokalnie!).
Mózg ludzki zeskanowany został w dużej rozdzielczości (ok. 1/4 mm): 7 Tesla MRI Brain Atlas.

fMRI, funkcjonalny MRI: wykorzystuje rezonans z udziałem jąder tlenu, pokazuje sygnał BOLD (Blood Oxygen-Level Dependent), czyli przepływ utlenionej krwi.
Nieco tańszy od PET, nie wymaga izotopów, wykorzystuje bardzo silne pole magnetyczne (stosuje się 3 Tesla dla ludzi, 7 Tesla dla zwierząt).

MRS (Magnetic Resonance Spectroscopy) - pozwala na pomiar koncentracji różnych pierwiastków.
Jest wiele wariantów technik opartych na rezonansie magnetycznym. Inne metody tomograficzne opisane są tu.

Hemoencephalography oparta jest na monitorownaiu mózgu w dalekiej podczerwieni i stosowana głównie do treningu biofeedback.

NIRS (near infrared spectroscopy) polega na obserwacji promieniowania podczerwonego, generowanego przez lasery, które jest absorbowane w różny sposób przez krew utlenioną lub nie, co pozwala na badania funkcjonalne "optycznej topografii" (NIR-OT).
Rozdzielczość czasowa jest rzędu 100 ms, a przestrzenna rzędu 1 cm.

Porównanie kilku metod bezinwazyjnego obrazowania pracy mózgu.

Przyszłość: połączenie różnych metod, EEG i MEG z fMRI, szybkość i precyzja.
Można obserwować zlokalizowaną aktywność przy ruchu poszczególnych palców.
Niestety ta technika jest trudna, łączy skrajnie małe i skrajnie silne pola magnetyczne, rozwija się powoli i jest droga.
Wiele technik obrazowania inwazyjnego stosuje się tylko na zwierzętach.

Czym różnią się informacje z MRI czy PET od tych, które dostarczają pomiary elektrofizjologiczne?
W dłuższych odcinkach czasowych widzimy głónie wewnętrzną dynamikę mózgu (MRI), a w krótszych zaburzenia wynikające z podudzenia przez zewnętrzne bodźce (M.E. Reichle, Two views of brain function, TICS 855, 2010).

Ciekawe rezultaty wynikające z neuroobrazowania.

• Chociaż całkowita wielkość mózgu słabo koreluje się z IQ około 6% szarej materii znajdująca się w fragmentach kory czołowej, skroniowej i ceimieniowej wykazuje dużą korelację (Haier 2004).
• Kobiety mają znacznie więcej białej (9x) a mniej szarej materii (6.5x), której objętość skorelowana jest z wynikami testów IQ.
• U mężczyzn najsilniejsze korelacje dotyczą płatów ciemieniowych i czołowych, u kobiet jest to prawy płat czołowy i obszar Broca.

Transcranial Magnetic Stimulation (TMS), czyli magnetyczna stymulacja przezczaszkowa, pozwala na selektywną i bezinwazyjną stymulację wybranych obszarów mózgu.
Jest kilka sposobów zastosowania pola magnetycznego: dłuższe impulsy, krótkie powtarzające sie impulsy (rTMS), lub salwy krótkich impulsów (50 Hz) modulowane w rytmie teta (4-7 Hz), czyli theta burst stimulation (TBS).
Osiągana precyzja skupienia pola magnetycznego sięga kilku milimetrów.
TMS ma też zastosowania terapeutyczne w depresji, halucynacjach, padaczce.

Literatura

• Jaśkowski P, Neuronauka poznawcza. Jak mózg tworzy umysł. Wizja Press IT, Warszawa 2009, rozdz. 2.
• Haier RJ, Jung RE, Yeo RA, i inn. The neuroanatomy of general intelligence: sex matters. NeuroImage 25:320-327, 2005.
• History of brain surgery.