Mózg, umysł i zachowanie

Poprzedni rozdział. | Wstęp do kognitywistyki - spis treści.

3.2. Metody badania aktywności mózgu

Analiza urazów powypadkowych - Egipski papirus sprzed 3500 lat temu wymienia 28 uszkodzeń, dokonywano trepanacji.
Arystoteles: serce to siedlisko uczuć i rozumu.
W -3 w. Herofilos, lekarz z Aleksandrii - mózg odpowiedzialny za życie psychiczne.
Galen z Pergamonu: uszkodzenia rdzenia i paraliżem, móżdżka i koordynacja ruchów, "płyn umysłu" w komorach.
Andreas Vesalius (1514-1564, Flamandia) ostatecznie ustalił znaczenie mózgu.
Systematyczne badania urazów od XIX wieku.

Kontrolowane uszkodzenia mózgu: tylko na zwierzętach, tylko proste zachowania.
Hitzing i Fritsch, koniec XIX wieku, stymulacja elektryczna mózgow zwierząt.
Operacje u pacjentów cierpiących na padaczkę: mapy Penfielda z lat 50.

Rozwój nie-inwazyjnych technik badania mózgu - początkowo tylko EEG (Hans Berger, 1929).
Zastosowania diagnostyczne, np. głuchota, 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 - uśrednione EEG po wielu próbach.
Charakterystyczne sygnały po 30 msek, amplituda prop. do stymulacji.
P300 milisekund zależy od stanu wewnętrznego.

MEG, magnetoencefalografia: podobnie jak EEG, ale pozwalają dotrzeć do głębszych źródeł.
Zalety: szybkozmienne sygnały.
Wady: kosztowna aparatura, trudna interpretacja.

Arteriografia: 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.
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 akcelerator do wytwarzania krótkotrwałych substancji promieniotwórczych, ¹¹C, ¹⁸F, ¹⁵O, ¹³N.
Umożliwia obrazowanie przepływu krwi na bieżąco, wykrywanie ognisk padaczki, guzów mózgu.
Eksperymenty psychologiczne - zwiększona praca danego obszaru zwiększa zapotrzebowanie na energię = dopływ krwi.
PET po raz pierwszy pokazał lokalizację wielu funkcji psychicznych.

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), zwany rezonansowym obrazowaniem magnetycznym (MRI).
Anatomiczny MRI: rezonans jąder wodoru, pozwala mierzyć gęstość tkanki, duża rozdzielczość rzędu 1 mm.
Rekonstrukcja 3-D w różnych przekrojach.
Przekrój pionowy (coronal), film (tylko lokalnie!).
Przekrój strzałkowy, film (tylko lokalnie!).
fMRI, funkcjonalny MRI: rezonans jąder tlenu, pokazuje sygnał BOLD (Blood Oxygen-Level Dependent), czyli przepływ krwi.
Tańszy od PET, nie wymaga izotopów.

MRS (Magnetic Resonance Spectroscopy) - pozwala na pomiar koncentracji różnych pierwiastków.

Porównanie kilku metod obrazowania pracy mózgu.

Metoda	EEG	MEG	PET	fMRI
Rozdzielczość czasowa	1 msek	1 msek	1 min	5 sek
Rozdzielczość przestrzenna	1 cm	5 cm	5 mm	5 mm
Ograniczenia	Tylko kora mózgu, trudna interpretacja	Słaba rozdzielczość przestrzenna, trudna interpretacja	Tylko przepływ krwi, konieczny krótkożyciowy izotop	Tylko przepływ krwi, hałas
Zalety	Tania, łatwa	Obejmuje głębsze struktury	Analiza funkcjonalna, obrazowanie medyczne	Analiza funkcjonalna, obrazowanie medyczne

Przyszłość - połączenie MEG z fMRI, szybkość i precyzja.
Można obserwować zlokalizowaną aktywność przy ruchu poszczególnych palców.

Następny rozdział. | Wstęp do kognitywistyki - spis treści.

MEG, magnetoencefalografia: podobnie jak EEG, ale pozwalają dotrzeć do głębszych źródeł. Zalety: szybkozmienne sygnały. Wady: kosztowna aparatura, trudna interpretacja.
Arteriografia: 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. 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 akcelerator do wytwarzania krótkotrwałych substancji promieniotwórczych, ¹¹C, ¹⁸F, ¹⁵O, ¹³N. Umożliwia obrazowanie przepływu krwi na bieżąco, wykrywanie ognisk padaczki, guzów mózgu. Eksperymenty psychologiczne - zwiększona praca danego obszaru zwiększa zapotrzebowanie na energię = dopływ krwi. PET po raz pierwszy pokazał lokalizację wielu funkcji psychicznych.
Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), zwany rezonansowym obrazowaniem magnetycznym (MRI). Anatomiczny MRI: rezonans jąder wodoru, pozwala mierzyć gęstość tkanki, duża rozdzielczość rzędu 1 mm. Rekonstrukcja 3-D w różnych przekrojach. Przekrój pionowy (coronal), film (tylko lokalnie!). Przekrój strzałkowy, film (tylko lokalnie!). fMRI, funkcjonalny MRI: rezonans jąder tlenu, pokazuje sygnał BOLD (Blood Oxygen-Level Dependent), czyli przepływ krwi. Tańszy od PET, nie wymaga izotopów.