História neurozobrazovania

História neurozobrazovania sa začala na začiatku 20. storočia technikou nazývanou pneumoencefalografia. Tento proces spočíval v odvádzaní mozgovomiechového moku z okolia mozgu a jeho nahrádzaní vzduchom, čím sa zmenila relatívna hustota mozgu a jeho okolia, aby sa lepšie zobrazil na röntgenovej snímke. Považovalo sa to za veľmi nebezpečné pre pacientov (Beaumont 8). V 70. a 80. rokoch 20. storočia bola vyvinutá forma magnetickej rezonancie (MRI) a počítačovej tomografie (CT). Nové technológie MRI a CT boli podstatne menej škodlivé a sú podrobnejšie vysvetlené nižšie. Potom nasledovali vyšetrenia SPECT a PET, ktoré umožnili vedcom mapovať funkciu mozgu, pretože na rozdiel od MRI a CT mohli tieto vyšetrenia vytvárať viac než len statické obrazy štruktúry mozgu. Poučení zo skenovania MRI, PET a SPECT vedci dokázali vyvinúť funkčnú MRI (fMRI) so schopnosťami, ktoré otvorili dvere priamemu pozorovaniu kognitívnych aktivít.

Skoré použitie zobrazovania mozgu

Túžba pochopiť ľudskú myseľ bola jednou z hlavných túžob filozofov po celé veky. Otázky týkajúce sa myšlienok, túžob atď. spojili psychológov, informatikov, filozofov, sociológov a podobne do novej disciplíny kognitívnej vedy. Neinvazívne zobrazovanie ľudského mozgu sa v tejto súvislosti ukázalo ako neoceniteľné.

Štrukturálne zobrazovanie sa začalo prvými rádiografickými technikami na zobrazovanie ľudského mozgu. Nanešťastie, keďže mozog je takmer celý zložený z mäkkého tkaniva, ktoré nie je rádioopačné, zostáva v podstate neviditeľný pre bežné alebo obyčajné röntgenové vyšetrenie. To platí aj pre väčšinu abnormalít mozgu, hoci existujú výnimky, ako napríklad kalcifikovaný nádor (napr. meningeóm, kraniofaryngióm, niektoré typy gliómov); zatiaľ čo kalcifikácia v takých normálnych štruktúrach, ako je epifýza, cievnaté plexy alebo veľké mozgové tepny, môže nepriamo poskytnúť dôležité informácie o prítomnosti štrukturálneho ochorenia v samotnom mozgu.

V roku 1918 americký neurochirurg Walter Dandy zaviedol techniku ventrikulografie, pri ktorej sa snímky komorového systému v mozgu získavali vstrekovaním filtrovaného vzduchu priamo do jednej alebo oboch bočných mozgových komôr cez jeden alebo viac malých trefínových otvorov vyvŕtaných v lebke v lokálnej anestézii. Hoci ventrikulografia zvyčajne nie je bolestivý zákrok, pre vyšetrovaného pacienta predstavuje značné riziko, ako napríklad krvácanie, infekcia a nebezpečné zmeny vnútrolebečného tlaku. Napriek tomu boli chirurgické informácie získané touto metódou často pozoruhodne presné a výrazne rozšírili možnosti a presnosť neurochirurgickej liečby. Dandy si tiež všimol, že vzduch zavedený do subarachnoidálneho priestoru prostredníctvom lumbálnej spinálnej punkcie sa môže dostať do mozgových komôr a tiež preukázať oddelenia mozgovomiechového moku okolo spodiny mozgu a nad jeho povrchom. Táto technika sa nazýva pneumoencefalografia. Ďalej rozšírila možnosti presnej intrakraniálnej diagnostiky, ale za cenu podobných rizík pre pacienta, ako aj za cenu toho, že sama o sebe bola veľmi nepríjemným a často bolestivým utrpením.

Vývoj moderných techník

V roku 1927 zaviedol Egas Moniz, profesor neurológie v Lisabone, mozgovú angiografiu, pomocou ktorej sa dali s veľkou presnosťou zobraziť normálne aj abnormálne cievy v mozgu a jeho okolí. V začiatkoch tejto techniky boli s ňou spojené okamžité aj dlhodobé riziká, z ktorých mnohé súviseli so škodlivými účinkami pozitívnych kontrastných látok, ktoré sa používali na vstrekovanie do krvného obehu. Techniky sa v posledných desaťročiach veľmi zdokonalili, takže mozgová angiografia zostáva základnou súčasťou diagnostického zobrazovacieho arzenálu neurochirurga a čoraz viac aj terapeutického arzenálu pri liečbe mozgových aneuryziem a iných cievnych lézií a pri niektorých druhoch mozgových nádorov.

S príchodom počítačovej axiálnej tomografie (CAT alebo CT) boli k dispozícii stále podrobnejšie anatomické snímky mozgu na diagnostické a výskumné účely. S touto revolučnou novinkou, ktorá umožnila oveľa jednoduchšie, bezpečnejšie, neinvazívne, bezbolestné a (v rozumnej miere) opakovateľné neurologické vyšetrenie, sa spájajú mená Oldendorf (v roku 1961) Godfrey Newbold Hounsfield a Allan McLeod Cormack (v roku 1973). Cormack a Housenfield získali za túto prácu v roku 1979 Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu.

Prvé techniky, ako napríklad inhalácia xenónu, poskytli prvé mapy prietoku krvi v mozgu.
Vyvinuli ju začiatkom 60. rokov minulého storočia Niels A. Lassen, David H. Ingvar a Erik Skinhøj v južnej Škandinávii a používala izotop xenón-133. Neskoršie verzie mali 254 scintilátorov, aby sa na farebnom monitore dal vytvoriť dvojrozmerný obraz. Umožnilo im to vytvoriť obrazy odrážajúce aktiváciu mozgu pri rozprávaní, čítaní, zrakovom alebo sluchovom vnímaní a dobrovoľnom pohybe.

Doporučujeme:  Harold Gulliksen

Krátko po vynájdení CAT sa vývojom rádioligandov začala revolúcia vo funkčnom zobrazovaní. Rádioligandy buď zostávajú v krvnom obehu, alebo sa dostávajú do mozgu a viažu sa na receptory. Rádioligandy sú buď jednoduché fotónové alebo pozitrónové žiariče. Takto dostali svoje názvy jednofotónová emisná počítačová tomografia (SPECT) a pozitrónová emisná tomografia (PET). Edward J. Hoffman a Michael Phelps vyvinuli prvý ľudský PET skener v roku 1973.

Funkčné zobrazovanie urobilo veľký krok vpred s vývojom zobrazovania vody značenej kyslíkom 15 (H215O alebo H20-15). H20-15 vyžaruje pozitróny a vytvára obrazy na základe regionálneho prietoku krvi v mozgu. Keďže aktívne neuróny sú silne prekrvené, PET s H20-15 umožnila výskumníkom vytvoriť regionálne mapy mozgovej aktivity počas rôznych kognitívnych úloh.

Zobrazovanie magnetickou rezonanciou

Viac-menej súčasne sa vyvinula magnetická rezonancia (MRI alebo MR). Namiesto ionizujúceho alebo röntgenového žiarenia využíva MRI zmeny signálov, ktoré vytvárajú protóny v tele, keď je hlava umiestnená v silnom magnetickom poli. S prvým použitím základnej techniky na ľudskom tele sa spájajú mená Jackson (v roku 1968), Damadian (v roku 1972) a Abe a Paul Lauterbur(v roku 1973). Lauterbur a sir Peter Mansfield získali v roku 2003 Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu za svoje objavy týkajúce sa magnetickej rezonancie. Zo zavedenia MRI malo spočiatku väčší prospech štrukturálne zobrazovanie ako funkčné zobrazovanie. V 80. rokoch 20. storočia došlo k skutočnej explózii technických zdokonalení a diagnostických aplikácií MR, ktoré umožnili aj neurologickým tyranom diagnostikovať patológiu mozgu, ktorá by ešte pred desiatimi alebo dvoma rokmi bola nepochopiteľná alebo sa nedala preukázať na živom človeku.

Vedci čoskoro zistili, že veľké zmeny prietoku krvi namerané pomocou H20-15 PET sa dajú zobraziť aj pomocou MRI. Vzniklo funkčné zobrazovanie magnetickou rezonanciou (fMRI). Od 90. rokov 20. storočia začala fMRI dominovať v oblasti mapovania mozgu vďaka svojej nízkej invazívnosti, nedostatočnej expozícii žiareniu a relatívne širokej dostupnosti.

Fyzici vyvinuli aj ďalšie techniky založené na MRI, ako napríklad spektroskopiu magnetickej rezonancie (na meranie niektorých kľúčových metabolitov, ako je n-acetylaspartát a laktát v živom mozgu) a zobrazovanie tenzorov difúzie (na mapovanie dráh bielej hmoty v živom mozgu). Zatiaľ čo štrukturálna magnetická rezonancia a počítačová tomografia majú veľké miesto v medicíne, fMRI a jej príbuzné techniky sa stále vo veľkej miere venujú neurovedeckému výskumu. Veľmi nedávno však neurológovia začali používať fMRI na to, aby začali odpovedať na klinické otázky, napríklad ako dlho po trombotickej mozgovej príhode je bezpečné a účinné podať liek na rozpustenie zrazeniny, ako je tkanivový aktivátor plazminogénu (TPA). Podobne PET a SPECT sa presunuli z neurologického výskumu a čoraz viac sa používajú v klinickej praxi na pomoc pri diagnostike a rozlišovaní typov demenčných ochorení (demencie).

Nedávne prelomové objavy v neinvazívnom zobrazovaní mozgu boli do istej miery obmedzené, pretože väčšina z nich nebola úplne nová; skôr len zdokonaľovali existujúce techniky zobrazovania mozgu. fMRI je toho dokonalým príkladom zo začiatku 90. rokov a stále zostáva najpresnejšou technikou zobrazovania mozgu, ktorá je dnes k dispozícii. V súvislosti s neurozobrazovaním sa dosiahol pokrok v mnohých smeroch a táto časť sa bude zaoberať niektorými významnejšími zlepšeniami vrátane počítačových pokrokov, transkraniálnej magnetickej stimulácie a nukleárnej magnetickej rezonancie.

Na začiatok treba povedať, že veľká časť nedávneho pokroku nesúvisí so samotnými metódami zobrazovania mozgu, ale s našou schopnosťou využívať počítače pri analýze údajov. Napríklad podstatné objavy v oblasti rastu ľudského mozgu od troch mesiacov do pätnástich rokov sa dosiahli vďaka vytvoreniu mozgových máp s vysokým rozlíšením a počítačovej technológii na analýzu týchto máp v rôznych časových obdobiach a rastu (Thompson, UCLA). Tento typ prelomu predstavuje povahu väčšiny prelomových objavov v dnešnej neurovede. Vďaka technológii fMRI, ktorá mapuje mozgy nad rámec toho, čomu už rozumieme, sa väčšina času inovátorov venuje skôr snahe o pochopenie údajov, ktoré už máme, než sondovaniu do iných oblastí zobrazovania a mapovania mozgu.

Doporučujeme:  Subarachnoidálny priestor

Jasnejšie to možno vidieť na tom, že archívy zobrazovania mozgu sa rozširujú a neuroinformatika umožňuje výskumníkom skúmať tisíce mozgov namiesto niekoľkých (Lynch). Takisto sa tieto archívy univerzalizujú a štandardizujú formáty a opisy, aby sa v nich dalo lepšie vyhľadávať pre všetkých. Posledné desaťročie sme mohli získavať údaje a teraz nám naša technológia umožňuje oveľa jednoduchšie zdieľať zistenia a výskum. To umožnilo vytvoriť aj „mozgové atlasy“. Atlasy mozgu sú jednoducho mapy toho, ako vyzerá normálne fungujúci mozog (Thompson, Bioinformatics).

Ďalším príkladom technológie, ktorá umožňuje, aby relatívne staršie techniky zobrazovania mozgu boli ešte užitočnejšie, je naša schopnosť kombinovať rôzne techniky na získanie jednej mapy mozgu. To sa pomerne často deje pri snímaní magnetickou rezonanciou a EEG. Elektrická schéma EEG poskytuje časové údaje v zlomkoch sekundy, zatiaľ čo MRI poskytuje vysokú úroveň priestorovej presnosti.

Transkraniálna magnetická stimulácia (TMS) je nedávnou inováciou v oblasti zobrazovania mozgu. Pri TMS sa v blízkosti hlavy človeka drží cievka, ktorá generuje impulzy magnetického poľa, ktoré stimulujú základné mozgové bunky a prinútia človeka vykonať určitú činnosť. Pomocou tejto metódy v kombinácii s MRI môže výskumník vytvoriť mapy mozgu vykonávajúceho veľmi špecifické funkcie. Namiesto toho, aby sme pacienta požiadali, aby si ťukol prstom, cievka TMS môže jednoducho „povedať“ jeho mozgu, aby si ťukol prstom. Tým sa eliminujú mnohé falošne pozitívne výsledky tradičných testov MRI a fMRI. Snímky získané touto technológiou sa mierne líšia od typických výsledkov MRI a možno ich použiť na mapovanie mozgu akéhokoľvek subjektu monitorovaním až 120 rôznych stimulácií. Táto technológia bola použitá na mapovanie motorických procesov aj vizuálnych procesov (Pottsov odkaz v dolnej časti TMS). Okrem fMRI možno aktiváciu TMS merať pomocou elektroencefalografie (EEG) alebo blízkej infračervenej spektroskopie (NIRS).

Jadrová magnetická rezonancia (NMR) je základom technológií MRI a fMRI, ale nedávny pokrok bol dosiahnutý návratom k pôvodnej technológii NMR a prepracovaním niektorých jej aspektov. NMR má tradične dva kroky, kódovanie signálu a detekciu, a tieto kroky sa zvyčajne vykonávajú v tom istom prístroji. Nový objav však naznačuje, že použitie laserom polarizovaného xenónového plynu na „zapamätanie“ zakódovanej informácie a prenos tejto informácie na vzdialené miesto detekcie by sa mohlo ukázať ako oveľa efektívnejšie (Preuss). Oddelenie kódovania a detekcie umožňuje výskumníkom získať údaje o chemických, fyzikálnych a biologických procesoch, ktoré doteraz nemohli získať. Konečný výsledok umožňuje výskumníkom mapovať veci tak veľké, ako sú vzorky geologického jadra, alebo tak malé, ako sú jednotlivé bunky.

Je zaujímavé sledovať, ako sa pokrok rozdeľuje na tie, ktoré sa snažia o úplné zmapovanie mozgu pomocou zobrazovania jednotlivých neurónov, a tie, ktoré využívajú obrazy mozgu, keď subjekty vykonávajú rôzne úlohy na vysokej úrovni. Zobrazovanie jednotlivých neurónov (SNI) využíva kombináciu genetického inžinierstva a optických zobrazovacích techník na zavedenie malých elektród do mozgu na účely merania spaľovania jedného neurónu. Vzhľadom na škodlivé následky sa táto technika používa len na zvieratách, ale vrhla veľa svetla na základné emocionálne a motivačné procesy. Cieľom štúdií pri činnostiach vyššej úrovne je určiť, ako sieť mozgových oblastí spolupracuje pri vykonávaní jednotlivých úloh. Toto zobrazovanie na vyššej úrovni je oveľa jednoduchšie, pretože výskumníci môžu ľahko použiť subjekty, ktoré majú ochorenie, ako je napríklad Alzheimerova choroba. Zdá sa, že technológia SNI ide po možnosti pre umelú inteligenciu, zatiaľ čo technológia skúmania siete sa zdá byť určená skôr na lekárske účely.

Praktické úspechy funkčného zobrazovania mozgu

Začiatkom roku 2000 sa oblasť zobrazovania mozgu dostala do štádia, keď bolo možné využívať funkčné zobrazovanie mozgu v obmedzenej miere v praxi. Hlavnou oblasťou použitia sú hrubé formy rozhrania mozog-počítač.

Aby sme čo najlepšie predstavili dôsledky nových a lepšie vyvinutých technológií zobrazovania mozgu, bude najjednoduchšie hodnotiť dôsledky v kategóriách medicína, právo a vzdelávanie.
Keď sa zvýšená možnosť mapovania mozgu na úrovni neurónov alebo buniek spojí so zvýšenou možnosťou nanotechnológií, výsledky môžu byť veľmi výrazné. Naša schopnosť porozumieť mozgu by mohla byť podporená nanotechnológiou a zároveň by nám mohla pomôcť. Autonómne nanotechnologické zariadenia by sa mohli rozptýliť na určené miesta v mozgu a mohli by sa použiť ako senzory na podávanie správ o nových informáciách alebo by sa mohli použiť na odstránenie nežiaducich typov buniek, ako sú napríklad nádory.

Doporučujeme:  Chyby typu II

Nádory mozgu majú často tendenciu rásť medzi normálnymi bunkami, a preto sú pomerne invazívne a ťažko sa úplne odstraňujú. Zariadenia môžu byť navrhnuté tak, aby rozpoznali nádorové bunky a selektívne ich zničili pomocou určitého druhu toxínu. Môžu byť navádzané na nádorovú masu pomocou informácií získaných z technológie fMRI a ako už bolo spomenuté, mohli by zostať na mieste a fungovať ako senzory na hlásenie nových informácií. Ľudia so záchvatmi sú ďalším dobrým príkladom niečoho, čomu by táto technológia mohla pomôcť. Slepota spôsobená očným ochorením sa môže dať napraviť nahradením oka nanotechnologickým ekvivalentom. Spoločnosť Optobionics Corporation už úspešne otestovala svoju kremíkovú sietnicu na pacientoch s poškodenými sietnicovými bunkami (Hook). Scenáre, v ktorých by sa to mohlo uplatniť, sa zdajú byť takmer nekonečné. Technológia FMRI už umožňuje dokončiť operácie, ktoré sa kedysi považovali za nepredstaviteľné (Schulder). Mnohé riskantné operácie mozgu vykonávajú chirurgovia prostredníctvom počítačových snímok mozgu a následne ich vykonávajú na pacientovi pomocou menších, menej invazívnych mechanizmov.

Bližšie na obzore ako spomínané nanotechnológie by bola možnosť pre výskumníkov lokalizovať konkrétne miesta, kde sa v mozgu nachádzajú rôzne choroby, a zistiť, o čo presne ide. Vedci a lekári len teraz začínajú chápať, kde presne Alzheimerova choroba pôsobí a čo presne Alzheimerova choroba spôsobuje. Ďalšími príkladmi ochorení, pri ktorých pomáha zobrazovanie mozgu, sú Parkinsonova choroba, borelióza, schizofrénia a depresia.

Spôsob, akým učíme deti, môže byť ovplyvnený aj novou technológiou zobrazovania mozgu. Zobrazovanie potvrdilo teóriu, že milujúci rodičia robia múdrejšie a šťastnejšie deti a že rozprávanie a hranie sa s dieťaťom a umožnenie mu vidieť, dotýkať sa, cítiť vôňu a počuť nové veci pomôže rozvíjať hardwiring mozgu (Zwillich). Nové vyučovacie techniky by mohli byť vyvinuté na základe toho, čo nám výskum zobrazovania mozgu hovorí o tom, ako mozog reaguje na učenie sa rôznych typov vecí. Takisto, ak pochopíme všetky funkcie rôznych častí mozgu, je veľmi možné, že by sme mohli mozog rozšíriť pomocou chirurgie alebo nanotechnológií, aby sme ľuďom dali špeciálne schopnosti prakticky v akejkoľvek oblasti.

Všetko, čo je v spoločnosti nové, je vždy spojené s právnymi otázkami a možnosti vyplývajúce zo zobrazovania mozgu nie sú výnimkou. Na začiatok, zobrazovanie ukázalo, že u zločincov sú často dysfunkčné viaceré oblasti mozgu. U psychopatov nie je amygdala aktivovaná emocionálnymi podnetmi (Swiercinsk). Mnohí právnici zaoberajúci sa obhajobou v trestných veciach v súčasnosti využívajú pri obhajobe svojich klientov zobrazovanie mozgu. Vynára sa tým mnoho otázok vrátane otázky, či by sme mali niekoho nútiť, aby sa podrobil vyšetreniu mozgu, ak dokážeme stimulovať jeho mozog takým spôsobom, že budeme schopní povedať, akých trestných činov, ak vôbec nejakých, je táto osoba vinná. Samozrejme, takýchto scenárov je neobmedzené množstvo. Určite sa objavia aj otázky, ako by mal zákon obmedziť činnosť TMS a aké etické dôsledky by to malo mať.

Rýchlosť, s akou vedci a výskumníci dokážu plne pochopiť kompletne zmapovaný ľudský mozog, bude priamo určovať arénu diskusií v neurovede, filozofii a celej kognitívnej vede v nasledujúcich rokoch. Dokončená neuroveda by mala ďalekosiahle potenciálne dôsledky vrátane priameho rozhrania myseľ – počítač, technologicky podporovanej telepatie a prenosu mysle. Tým, že sme sa pozreli na niektoré súčasné technológie, nedávne prelomové objavy v oblasti zobrazovania mozgu a niektoré dôsledky zobrazovania mozgu, tento článok sotva začal pokrývať špičku toho, čo sa stáva obrovským ľadovcom.