neurovědní přístupy k hodnocení funkce mozku

 NEUROVĚDNÍ PŘÍSTUPY K HODNOCENÍ FUNKCE MOZKU doc. Ing. Jan Kremláček, Ph.D. studijní materiál ke kurzu Vybrané problémy kognitivní vědy Fakulta informatiky a managementu Univerzity Hradec Králové Projekt Informační, kognitivní a interdisciplinární podpora výzkumu je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. NEUROVĚDNÍ PŘÍSTUPY K HODNOCENÍ FUNKCE MOZKU NEUROSCIENTIFIC APPROACH TO BRAIN FUNCTION ASSESMENT Jan Kremláček Abstrakt Neurobiologická aktivita představuje rozsáhlou oblast časoprostorových dějů, pro jejichž objektivní studium se využívá mnoho postupů. V příspěvku je prezentován přehled, principy a časoprostorové vlastnosti nejpoužívanějších metod studia mozkových funkcí/mysli. Podrobněji je přiblížena široce využívaná technika funkčního zobrazení pomocí magnetické rezonance a dostupná neinvazivní elektroencefalografická technika společně s metodou detekce korových potenciálů vázaných na události. Mezi intervenčními metodami je zmíněna transkraniální magnetické stimulace, hluboká mozková stimulace a nově se prosazující optogenetická technika. V závěru je diskutována frekvence využití a limitace jednotlivých metod. Klíčová slova funkční vyšetření mozku, elektroencefalografie, funkční zobrazení pomocí magnetické rezonance, transkraniální magnetická stimulace, hluboká mozková stimulace, optogenetika. Abstract An objective exploration of neurobiological activity represents a wide application area covered by numerous approaches. An overview, presented in this contribution, focus to principles and spatio­temporal properties of the most used methods in brain/mind studies. A closer look is provided in widely used non­invasive techniques of the functional Magnetic Resonance Imaging, the electroencephalography and the event related cortical potentials. Transcranial Magnetic Stimulation, Deep Brain stimulation and modern Optogenetics technique are mentioned as an interfering approach to a neural activity. A frequency of usage together with methods’ limitations are discussed in the end. Keywords Examination of brain functions, Electroencephalography, functional Magnetic Resonance Imaging, Transcranial Magnetic Stimulation, Deep Brain Stimulation, Optogenetics. 1 1. Úvod Neurovědní obory jako neurofyziologie, neuropsychologie nebo neurokognice zkoumají stavbu a funkce mozku ve vztahu k chování organismu. Pro objektivní studium neurobiologických dějů využívají sledování či ovlivnění elektrochemických pochodů souvisejících s neurální činností. Tyto děje jsou v čase rozprostřeny od desítek milisekund (například detekce senzorického podnětu) po několik hodin až dnů (například učení). Prostorově se jedná o aktivitu na úrovni jednotlivých neuronů, jejich populací nebo celého mozku. Takto vymezená časově prostorová dynamika nervového systému je natolik rozsáhlá, že žádná z dostupných metod funkčního vyšetření ji plně neobsáhne, a proto je volba vhodné metody pro nalezení odpovědi na hledanou otázku klíčová a často je nutné pro dosažení cíle jednotlivé metody kombinovat. Seminář je svým rozsahem a zaměřením určen pro základní orientaci mezi jednotlivými metodami vyšetření funkcí mozku s důrazem na princip a aplikace techniky evokovaných potenciálů a funkčního zobrazení magnetickou rezonancí, které patří mezi nejrozšířenější postupy sledování korelátů neurální činnosti. Jako zástupce intervenčních metod bude představena transkraniální magnetické stimulace, jež dosáhla značného rozšíření v minulých desetiletích díky minimálně invazivnímu charakteru a možnosti vyšetřovat zdravé dobrovolníky. Z dalších bude zmíněna hluboká mozková stimulace, která se rozšířila v humánní medicíně pro úspěšné terapeutické výsledky např. u pacientů s Parkinsonovou chorobou, a v současné době se rozvíjející revoluční optogenetický přístup k ovlivnění činnosti mozku. 2. Neurobiologické děje Živý mozek je v čase neustále činná dynamická soustava, jejíž aktivitu můžeme sledovat od molekulárně‐buněčné úrovně. Základní signální funkce neuronů jsou realizovány tokem iontů (Na+, K+, Cl‐ a Ca2+) přes neurální membránu nebo změnami koncentrací neurotransmiterů v buněčném i mimobuněčném prostoru v rámci neurální komunikace, která se odehrává s časovým rozlišením od jednotek milisekund[7]. Tyto energeticky náročné děje jsou doprovázeny rozsáhlou metabolickou činností v neuronech i podpůrných nesignálních buňkách. Změny spotřeby zejména kyslíku a glukózy vedou ke změnám v cévním zásobování, které má vlastní regulační mechanismy s časovým rozlišením jednotek sekund. Sledování dějů na intravaskulární úrovni v mozku tak umožňuje usuzovat na povahu neurální činnosti. Sledování metabolických dějů je založeno na chemických změnách v mozkové tkáni a obvykle poskytuje lepší prostorové rozlišení, ale vztah metabolických změn k neurálním (neurovascular coupling) není jednoznačný a obsahuje řadu nelinearit [2]. 3. Metody Všechny dále uvedené metody měří fyzikálně/chemické veličiny doprovázející nebo reflektující neurobiologické děje v mozku, nebo prostřednictvím fyzikálně/chemických intervencí tyto děje ovlivňují. Pro studium mozku a chování mohou být využity i jiné metody například psychofyzikální, které vyhodnocují 2 subjektivní reakce vyšetřovaného v experimentu. Psychofyzikální metody nejsou předmětem tohoto sdělení. Při volbě metody vycházíme zejména z dostupnosti vyšetření a jeho ceny. Dalším velmi důležitým kritériem pro výběr je citlivost metody vzhledem k očekávanému efektu experimentu a to jak v časové tak v prostorové doméně. Jako nutnou součást rozvahy musíme reflektovat, jakou zátěž přinese vyšetření pro pacienta/pokusnou osobu. Pokud mluvíme o neinvazivním charakteru, je třeba mít na mysli, že v medicínské terminologii je tím myšleno vyšetření, při kterém nedojde k porušení kůže nebo kontaktu se sliznicí. To splňuje řada metod, přestože představují zátěž například radiačním zářením. 3.1. Funkční zobrazení magnetickou rezonancí V současnosti nejrozšířenější neinvazivní metodou pro vyšetření živého mozku s minimální zátěží pro vyšetřovaného je funkční zobrazení magnetickou rezonancí (fMRI – functional Magnetic Resonance Imaging). fMRI registruje změny MRI signálu vztažené k metabolismu a zásobení neurálních oblastí kyslíkem. Signál reflektující neurovaskulární vazbu se nazývá BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) a odpovídá poměru množství hemoglobinu s navázaným a uvolněným kyslíkem. BOLD signál nabývá hodnot jednotek procent z naměřeného MRI signálu a pro lokalizaci metabolicky aktivních oblastí mozku v souvislosti s řešením zkoumané úlohy jsou využívány statistické metody. Vyšetření fMRI nejčastěji využívá blokového schématu, kdy se v experimentu opakují úseky se dvěma nebo vícero úlohami a při vyhodnocení se hledají rozdíly změn v prokrvení mozku mezi úlohami. fMRI disponuje dobrým prostorovým rozlišením, které umožňuje lokalizovat ve speciálních případech i aktivitu jednotlivých kortikálních sloupců okulární dominance o velikosti 0,5 mm [5], nebo podkorových oblastí jako jsou bazální ganglia. Časové rozlišení fMRI je vázáno na změny v metabolické aktivitě a není vhodné pro sledování rychlých neurálních dějů. Cena za vyšetření je řádově vyšší, než u elektroencefalografie. BOLD signál má ještě nižší úroveň užitečné složky oproti základní aktivitě (šumu) než elektrofyziologické metody (viz další podkapitola), a proto se častěji využívá ve skupinových studiích. V individuálních diagnostických aplikacích se i z důvodů vysokých nákladů používá pouze výjimečně. Pro zvýšení senzitivity fMRI lze využít kontrastních substancí založených na magneticky aktivních látkách (například oxidy železa), což však zvyšuje zátěž pacienta. Pro fMRI vyšetření je třeba vybírat osoby, které nemají obavu z uzavřeného prostoru a současně je neohrozí silné magnetické pole. Omezená detekce rychlých dějů není zapříčiněna fMRI technikou, ale je limitována temporální charakteristikou hemodynamické reakce generující BOLD signál. Proto vznikají pokusy o registraci signálu kvalitativně jiného fenoménu, například difuzní distribuce vody. Omezené časové rozlišení fMRI lze kompenzovat kombinací se elektrofyziologickým záznamem mozkové aktivity. Toto řešení se objevuje stále častěji, přestože je náročné na eliminaci artefaktů které spojení 3 těchto dvou metod přináší. Silné magnetické pole, prostředí úzkého uzavřeného prostoru, hluk MRI zařízení i strnulá poloha vyšetřovaného také omezují rozsah možných experimentů, které lze pomocí fMRI uskutečnit. Metodické detaily i podrobný popis principu fMRI sepsal například Jezzard [6]. 3.2. Neinvazivní elektrofyziologie Mezi metody plně neinvazivní a bez zátěže pro vyšetřovaného se řadí elektroencefalografie (EEG), technika založená na registraci elektrické aktivity z povrchu hlavy pomocí přiložených elektrod. Registrovaný potenciál o amplitudě jednotek až desítek mikrovoltů se nazývá elektroencefalogram a je generován převážně synchronní synaptickou aktivitou kortikálních pyramidových buněk (hlavní složkou jsou excitační postsynaptické potenciály). V elektroencefalogramu můžeme rozlišit různé stavy vědomí (pozornost, uvolnění, bdělost, spánek i únavu), ale jen obtížně reakci centrálního nervového systému na zevní podněty, protože ta je obvykle až 10x menší, než aktivita spontánní. Pro její odhalení je třeba použít statistické metody a podnět mnohokrát opakovat. Odezva na zevní podnět izolovaná ze spontánní aktivity nejčastěji průměrováním se nazývá evokovaný potenciál (EP) nebo na událost vázaná odpověď (ERP – Event Related Potentials). Výhodou EEG/EP/ERP je přímá korelace měřené veličiny s neurální činností, vysoká časová přesnost a nízká cena. Vlastností EP nebo ERP nejlépe využijeme při sledování velmi rychlých neurálních dějů (například při zpracování senzorických podnětů – od jejich detekce po řešení kognitivní úlohy). Nevýhodou této techniky je horší lokalizace (prostorové rozlišení) aktivních neurálních oblastí, zejména podkorových. EEG je rutinně užíváno v klinické diagnostice pro odkrývání epileptických záchvatů, klasifikaci spánkových stádií, sledování efektu léčby. ERP/EP jsou vhodné pro hodnocení stavu neurálních drah a odpovídajících korových oblastí v souvislosti s jejich možným poškozením. Alternativní metodou měřící elektromagnetické síly, které korelují s neurální činností, jsou magnetoencefalografie (MEG) a na událost vázaná pole (ERF – Event Related Field). MEG je méně rozšířená z důvodu vysokých pořizovacích a provozních nákladů na supravodivé detektory magnetického pole. Její výhodou je vyšší prostorová přesnost, ale pouze pro zdroje, které jsou uloženy paralelně (tangenciálně) ke snímačům. Citlivost EEG je naopak lepší v případě, že jsou aktivovány zdroje, jejichž elektrické pole lze aproximovat proudovými dipóly uloženými kolmo k povrchu (plochy gyrů kortexu). Zevrubný popis elektrofyziologických metod je například v monografiích Zanniho [13] nebo Rugga [10]. 3.3. Neinvazivní optické zobrazení Metoda neinvazivního optického zobrazení umožňuje měřit jak metabolickou tak neurální aktivitu a to prostřednictvím infračerveného nebo blízkého infračerveného světla. Obdobně jako fMRI je také neinvazivní, ale její nevýhodou je 4 malá prostorová rozlišovací schopnost a v současnosti i vysoká cena zařízení. Metoda NIRS (Near InfraRed Spectroscopy) nebo DOI (Difuse Optical Imaging) využívá pro měření metabolických dějů různých absorpčních vlastností hemoglobinu s navázaným nebo uvolněným kyslíkem podobně jako fMRI, avšak dokáže tyto dvě složky od sebe odlišit. Technika EROS (Event Related Optical Signal) je založena na detekci rozptylu infračerveného světla způsobeného aktivitou neuronů a má výbornou časovou přesnost podobně jako EEG/MEG. Její prostorové rozlišení je však omezené. Nejnovější přístupy umožňují monitorovat celý skalp [4]. 3.4. Radioaktivní metody Mezi metody, které již vystavují pacienta radioaktivní zátěži, přestože nejsou invazivní, můžeme zařadit pozitronovou emisní tomografii (Positron Emission Tomography ­ PET) a cenově dostupnější jednofotonovou emisní tomografii (SPECT ­ Single Photon Emission Computed Tomography). Tyto metody používají radioaktivní kontrastní látky, které jsou specifické pro metabolické děje v organismu. Pro PET nejčastěji používaný radionuklid je analogem glukózy (18‐
fluorodeoxy‐glukóza) a dovoluje lokalizovat místa, která ve zvýšené míře metabolizují glukózu. U PET se oblast metabolického děje odvozuje z detekce fotonových párů vyzářených při anihilaci positronu a elektronu. Obě tyto metody mají omezené schopnosti rozlišit rychlé děje, o to lépe lokalizují děje dlouhodobé. Prostorové rozlišení je horší než u fMRI, avšak stále se zlepšuje. PET představuje techniku nákladnější, ale s většími možnostmi syntézy metabolicky specifických radionuklidů, jež představují menší zátěž pro pacienta. 3.5. Transkraniální magnetická stimulace Dosud uvedené metody registrují aktivitu mozku a cíleně ji neovlivňují. Jiným přístupem je zásah do procesů v mozku probíhajících a následné pozorování vyvolaných změn. Studium lézí je nejstarší a velmi přínosný postup ke zkoumání mozku, avšak jeho invazivní charakter brání výraznějšímu nasazení v současné neurovědě. V posledních desetiletích se však opět podařilo techniku intervenující do funkce živého lidského mozku zařadit mezi moderní neurovědní metody ve formě neinvazivní transkraniální magnetické stimulace (TMS). Metoda využívající magnetického pole umožňuje bez porušení lebky nebo kůže a bez bolestivých vjemů dočasně změnit excitabilitu v blízké kortikální oblasti. Princip metody je založen na stimulaci mozku magnetickým pulsem trvajícím několik málo desetin milisekundy. Puls magnetického pole o velikosti jednotek Tesla je generován na skalp přiloženou elektromagnetickou cívkou. Krátká změna magnetického pole v povrchové vrstvě kortexu vyvolá v důsledku indukcí elektrické pole, které způsobí depolarizaci membrán axonů vhodně křížících jeho siločáry. Účinky na neurální tkáň jsou závislé na parametrech stimulace, zejména na počtu a frekvenci pulsů. TMS je metodou cenově dostupnou, s přesným časováním, ale omezeným prostorovým rozlišením. Její použití je užitečné pro vyvolání dočasných lézí a odhalení funkcí stimulované oblasti. Je tak možné simulovat onemocnění 5 narušením probíhající neurálních pochodů nebo naopak v cílové oblasti zvýšit aktivitu a vyvolat vjemy, které nejsou přirozeným smyslovým drážděním vybavitelné. Jako velmi cenná se jeví možnost sledovat funkční spojení mezi různými kortikálními centry. Takto byla například popsána nutnost zpětné aktivace zrakové senzorické oblasti pro vytvoření zrakového vjemu [8]. Klinicky se TMS v diagnostických aplikacích využívá k měření kortikální excitability a funkční integrity zejména motorických drah. Terapeuticky lze využít modulaci kortikální excitability například u léčby deprese. Více o této metodě lze najít například ve Wassermanově monografii [12]. Alternativou k TMS je využít pro stimulaci například energii ultrazvuku, stejnosměrného elektrického proudu nebo chladu, tyto techniky nejsou v této době pro mozkovou stimulaci obecně rozšířené. 3.6. Invazivní přístupy Dosud byly představeny nejpoužívanější neinvazivní objektivní metody, zkoumající přímo nebo zprostředkovaně neurální činnost. Existuje celá řada invazivních přístupů používaných na pokusných zvířatech, jako například záznam aktivity jednotlivých neuronů pomocí elektrod zanořených do mozku („Single Unit“ studie) nebo snímajících elektrickou, či optickou aktivitu z povrchových vrstev kortexu (kortikální EEG, DOI). Možné je také studovat vlastnosti jednotlivých neuronů nebo jejich membrán in vitro (například technikou terčíkového zámku „Patch Clamp“). Mezi nový přístup v sledování nebo ovlivňování neurální tkáně patří metoda optogenetická, která využívá genetické manipulace a je jí věnována následující podkapitola. Tyto invazivní techniky nejsou z etických důvodů přípustné pro studium lidského mozku. Lze však využít údajů, které jsou zaznamenány v souvislosti s léčbou některých onemocnění. Například při hledání epileptického ložiska pro neurochirurgický zákrok se užívá i několikadenního záznamu kortikálního EEG. Technologický pokrok v humánní medicíně umožňuje stále častěji použít hluboké mozkové stimulace (Deep Brain Stimulation) pro léčbu lékově rezistentních onemocnění jako Parkinsonova choroba, deprese nebo Tourettův syndrom. V průběhu neurochirurgického výkonu provázejícího aplikaci zanořených stimulačních elektrod je pacient při vědomí a lze zaznamenat reakce jeho podkorových center. Obecně však platí, že tyto metody jsou pro většinu experimentů nedostupné. 3.7. Optogenetická stimulace Hluboká mozková stimulace, tak jak byla představena, užívá k aktivaci neuronů elektrického proudu, který spouští neurální aktivitu. Elektrická stimulace je však nespecifická a v okolí stimulační elektrody dráždí neurony bez rozdílu. Možnost selektivně stimulovat pouze vybrané neurony poskytuje právě optogenetika. Prostřednictvím virových vektorů (např. adenovir, lentivir) lze zanést do neuronu genetickou informaci některých bakterií (např. pláštěnka Chlamydomonas reinhardtii) nebo syntetizovaných opsinů, která zprostředkuje syntézu bílkovin 6 z rodiny fotocitlivých opsinů (channelrhodopsin‐2). Tyto proteiny následně zabudované v membráně neuronu při expozici specifické vlnové délce elektromagnetického vlnění pozměňují svou strukturu a tím i propustnost pro určité ionty a následně i polaritu membrány. Tímto způsobem lze kontrolovat chování neuronů. Vhodnou volbou opsinů a vlnové délky světla se určí, zda membrána bude depolarizována nebo hyperpolarizována a tedy zda neuron akční potenciály vyšle nebo naopak jejich vysílání přeruší. Toto je jedna z nejvýznamnějších odlišností od dosud užívané stimulace elektrické, která umožňuje pouze neurony excitovat. Výběrem neurální populace by bylo možné určit, zda budou ovlivněny excitační nebo inhibiční neurony. Na neurony, jejichž struktura ovlivněna nebyla, světelná stimulace vliv nemá. Při světelné stimulaci je současně možné snímat elektrickou odezvu neurální tkáně bez stimulačních artefaktů na rozdíl od stimulace elektrické. Světelnou stimulaci lze realizovat podobně jako hlubokou mozkovou stimulaci elektrickou, ale místo elektrických jsou používány světelné vodiče a zdroje. Aplikační obor optogenetiky usiluje například o obnovení funkce oční retiny poškozené degenerativními procesy nebo zlepšení léčby u Parkinsonovy nebo Alzheimerovy choroby. V současné době probíhají optogenetické studie na zvířecích modelech. Optogenetika byla časopisem Nature Methods vyhlášena metodou roku 2010 [9]. 4. Limitace metod Je třeba mít na vědomí, že uvedené metody mají mimo časoprostorového omezení ještě limitace, které mohou přínos vyšetření významně snížit. Například v záznamu EEG se činnost podkorových center projeví jen minimálně, a pokud takovou aktivitu potřebujeme zaznamenat, musíme využít statistických metod. Navíc existuje‐li neurálně aktivní oblast v kůře, která má proudové dipóly orientované opačně, jejich elektrická aktivita bude sledovatelná pouze v nejbližším okolí a na skalpu ji nezměříme. Limitací při zobrazení aktivních oblastí mozku prostřednictvím funkční magnetické rezonance je například malá schopnost BOLD reagovat na změny v temporální distribuci neurální aktivity. Například neurální oblast, která změní charakter výbojů z neuspořádaného na synchronní při zachování počtu výbojů za časovou jednotku, je s velkou pravděpodobností pro řešení úlohy významná, ale pokud nezvýší metabolickou činnost, nebude sledováním BOLD signálu pozorovatelná [11]. Další limitující vlastností je obtížná odlišitelnost oblastí, které se přímo na úloze podílejí od oblastí, které jsou touto činností modulovány. Tuto vlastnost však lze považovat i za výhodu. Odpovědi CNS jako je EP, ERP, BOLD lze chápat jako přechodovou odezvu mozku na budící podnět nebo úlohu. Podnět ‐ stimulus zásadně ovlivňuje charakter odpovědi a z tohoto důvodu je nutné parametry užitých stimulů, ale i záznamových podmínek přesně specifikovat pro účely vědecké a pro diagnostické záměry používat definované standardy. Tvorbou standardů se zabývají mezinárodní odborné společnosti a například pro elektrofyziologii je takovou organizací International Federation for Clinical Neurophysiology (http://www.ifcn.org). 7 Schopnost jednotlivých metod oddělit různé zdroje neurální aktivity v časoprostorové dimenzi, tak jak je naznačena v textu a na Obr. 1, ještě plně neurčuje její využitelnost. Ta závisí zejména na míře a podmínkách, za kterých je schopna od sebe odlišit dva různé fyziologické stavy. Velmi důležitým parametrem je interindividuální/intraindividuální variabilita pro využití v klinických podmínkách a odstup užitečné složky od šumu. Například změna prokrvení vyvolaná stimulem představuje u fMRI řádově jednotky procent registrovaného BOLD signálu. Pro získání věrohodných výsledků je třeba využít další informace, kterou lze získat například vyšetřením skupiny osob a statistickým přístupem odhalit závislosti, které by při analýze výsledků jediného člověka mohly zůstat ukryty ve variabilitě jeho základní aktivity. Využití poznatků získaných neurovědním přístupem v medicínské praxi není přímočaré a často vyžaduje dlouhodobé testování a optimalizaci. Jednou z nejvýznamnějších limitací bývá nízká citlivost metody. V klinické praxi je nutné identifikovat patologii u jednotlivce, což může být obtížné, pokud je variabilita měřeného parametru vysoká a výzkumná zjištění byla založena např. na skupinových testech. 5. Artefakty Nejčastějším důvodem pro omezenou interpretovatelnost výsledků všech metod je jejich nevhodné použití, nevhodný návrh experimentu nebo hodnocení artefaktů. Artefaktem se v neurovědách označuje složka zaznamenaného signálu, která není součástí pozorovaného jevu a zaznamenána byla nadbytečně například v důsledku technické chyby. Artefakty jsou rozdělovány podle vzniku na endogenní – jejich zdrojem je organismus, který sledujeme. Například u záznamu EEG to může být svalová aktivita spojená s pohyby hlavy, mrkáním nebo přítomnost změn stejnosměrného napětí daného pohybem očí. Nezřídka je endogenním artefaktem v EEG například EKG. Nejčastějším endogenním artefaktem v BOLD signálu jsou změny polohy vyšetřovaného a to i v důsledku dýchacích pohybů nebo srdečních stahů. Jestliže je zdroj artefaktů mimo tělo vyšetřovaného organismu, mluvíme o exogenních artefaktech, mezi které patří u EEG nejčastěji indukovaný elektromagnetický šum vyvolaný vedením střídavého elektrického proudu v okolí, kde vyšetření probíhá. Signál fMRI může být také kontaminován řadou artefaktů mezi, které patří registrace vnějšího elektromagnetického pole detekčními cívkami. Nejefektivnější způsob jak bojovat proti těmto artefaktům je využít elektromagnetického stínění. Jiné fMRI artefakty mohou být způsobené i přítomností paramagnetických materiálů v blízkosti vyšetřovaného. Artefakty lze ze záznamu signálu odstranit pomocí digitálních technik zpracování signálů a obrazů. Tato možnost je vždy spojena s rizikem, že spolu s artefaktem bude odstraněna i relevantní složka záznamu. Nejvhodnějším způsobem jak získat věrohodné výsledky je zabránit vzniku artefaktů již při snímání, ale v některých případech jako jsou například dýchací pohyby při fMRI vyšetření nebo mrkání očí při zrakových stimulacích jsou artefakty nevyhnutelné a je nutno s nimi počítat při návrhu experimentu. 8 Obr. 1
1: Srovnání vvlastností jed
dnotlivých teechnik Každ
dá technikka je přředstavena oblým obdélníkem
m vymezu
ujícím čassovou a pro
ostorovou oblast, ve které je daná d
techn
nika schop
pna registrrovat mozk
kovou aktivvitu. Obdéllník je vyybarven od
d bílé po černou podle p
stup
pně zátěže pro vyšettřovaného. Vedle názzvu techniiky je kruh
h s výplní symbolizujjící náklady
dy na vyšettření. Jedn
notlivé meetody: DB
BS – hlub
boká mozková stim
mulace; EE
EG – elekttroencefalo
ografie; fMR
RI – funkčční zobrazení magneetickou rezzonancí; MEG M
– magnetoencefalografie (za
ahrnuje i na událost n
vázané odp
v
povědi podo
obně jako E
EEG); grafie; PET
T – pozitro
onová emiisní tomog
grafie; SPE
ECT – NIRSS – optická spektrog
jedno
ofotonová eemisní tomo
ografie. Obrázek byl u
upraven pod
dle [3]. 9 6. Souhrn Časoprostorové rozlišení aktivity v mozku jednotlivými metodami je názorně shrnuto v Obr. 1, který dále obsahuje informaci o zátěži pro pacienta/pokusnou osobu a relativní cenovou dostupnost vyšetření. Rozlišení je možno chápat jako nejmenší časovou/prostorovou vzdálenost dvou dějů, kdy je možno ještě oba děje pozorovat odděleně. Jak je z grafu patrné, prostor všech dějů probíhajících v živém mozku nelze pokrýt jednou technikou a tak je často kombinováno například vyšetření fMRI a EEG, což umožní zvýšit jak prostorovou, tak časovou rozlišitelnost. Cenově je výhodné kombinovat levné a neinvazivní vyšetření EEG a strukturální zobrazení mozku, koregistrovat obě vyšetření a využít apriorní anatomické informace k lokalizaci aktivních center. Podrobnější informace o uvedených metodách jsou dobře podány například v Cacioppově monografii [1]. Názor na využití a potažmo i efektivnost popsaných technik si lze učinit ze srovnání jejich citovanosti ve vědeckých publikacích. Na Obr. 2 jsou uvedeny počty citací nalezené prostřednictvím služby PubMed, U.S. National Library of Medicine, National Institutes of Health (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/). V horní části obrázku je patrné, že nejprudší nárůst od 80tých let 20 století zažívá funkční zobrazení magnetickou rezonancí. Během roku 2010 byla tato technika zmíněna ve více než 22000 článcích, což odpovídá zhruba 60 článkům za jeden den. Využití evokovaných potenciálů od 50tých let minulého století také stále narůstá, ale podstatně pomaleji a minulý rok byla technika citována více než 3600 články. Silný vzestup citovanosti je patrný i pro PET, ale zde je třeba mít na mysli, že technika je využívána převážně pro onkologické aplikace a citovanost vztažená k neurovědám je zhruba 25%. Přehled je pouze informativní, protože neustále narůstá objem ročních publikací a pro lepší srovnání aktuálního zastoupení metod ve vědeckých publikacích je možné trend citovanosti vztáhnout k celkovému počtu publikací v databázi, tak jak je vyznačeno na spodním panelu Obr. 2. Ani tento přístup však nepokryje vývoj a diferenciaci terminologie v názvech metod. Tato práce vznikla za podpory projektu Grantové agentury České republiky, projekt: 309/09/0869. 10
Obr. 2: Srrovnání vývo
oje využití vy
ybraných metod v čase Pro orientační srovnání četnosti vyyužití i) evvokovaných
h potenciálů, ii) zobrazení pomocí funkčn
ní magneticcké rezona
ance, iii) positronové
p
é emisní to
omografie a iv) mapování funkkčních vzttahů mozkku prostřed
dnictvím transkraniá
t
ální magneetické stimu
ulace je vyyužito porttálu The National N
Ceenter for Biotechnolo
B
ogy Information (http
p://www.nccbi.nlm.nih..gov/). Zob
brazen je počet p
publlikací obsahující v leg
gendě uved
dené výrazyy specifikujíící danou m
metodu v prrůběhu obd
dobí od roku
u 1950 po 2
2010. Doln
ní panel vzttahuje počeet publikacíí na 100000
0 děl indexo
ovaných da
atabází v da
aném roce.. 11
Literatura [1] CACIOPPO, J.T., TASSINARY, L.G. AND BERNTSON, G.G. Handbook of psychophysiology. Edtion ed. Cambridge [England] ; New York: Cambridge University Press, 2007. 898 p. p. ISBN 9780521844710 (hardback). [2] CAULI, B. AND HAMEL, E. Revisiting the role of neurons in neurovascular coupling. Front Neuroenergetics, 2010, vol. 2, p. 9. [3] COHEN, M.S. AND BOOKHEIMER, S.Y. Localization of brain function using magnetic resonance imaging. Trends in Neurosciences, 1994, vol. 17, no. 7, p. 268‐277. [4] FRANCESCHINI, M.A., JOSEPH, D.K., HUPPERT, T.J., DIAMOND, S.G. AND BOAS, D.A. Diffuse optical imaging of the whole head. J Biomed Opt, Sep‐Oct 2006, vol. 11, no. 5, p. 054007. [5] FUKUDA, M., MOON, C.H., WANG, P. AND KIM, S.G. Mapping iso‐orientation columns by contrast agent‐enhanced functional magnetic resonance imaging: reproducibility, specificity, and evaluation by optical imaging of intrinsic signal. J Neurosci, Nov 15 2006, vol. 26, no. 46, p. 11821‐11832. [6] JEZZARD, P., MATTHEWS, P.M. AND SMITH, S.M. Functional MRI : an introduction to methods. Edtion ed. Oxford ; New York: Oxford University Press, 2001. xiii, 390 p. p. ISBN 0192630717. [7] KANDEL, E.R., SCHWARTZ, J.H. AND JESSELL, T.M. Principles of neural science. Edtion ed.: McGraw‐Hill, 2000. [8] PASCUAL‐LEONE, A. AND WALSH, V. Fast backprojections from the motion to the primary visual area necessary for visual awareness. Science, Apr 20 2001, vol. 292, no. 5516, p. 510‐512. [9] PASTRANA, E. Optogenetics: controlling cell function with light. Nat Meth, 2011, vol. 8, no. 1, p. 24‐25. [10] RUGG, M.D. AND COLES, M.G.H. Electrophysiology of mind : event­related brain potentials and cognition. Edtion ed. Oxford ; New York: Oxford University Press, 1995. xv, 220 p. p. ISBN 0198521359. [11] SEIYAMA, A., SEKI, J., TANABE, H.C., SASE, I., TAKATSUKI, A., MIYAUCHI, S., EDA, H., HAYASHI, S., IMARUOKA, T., IWAKURA, T. AND YANAGIDA, T. Circulatory basis of fMRI signals: relationship between changes in the hemodynamic parameters and BOLD signal intensity. Neuroimage, Apr 2004, vol. 21, no. 4, p. 1204‐1214. [12] WASSERMAN, E., EPSTEIN, C.M. AND ZIEMANN, U. The Oxford handbook of transcranial stimulation. Edtion ed. Oxford ; New York: Oxford University Press, 2008. xiv, 747 p. p. ISBN 9780198568926 (alk. paper). [13] ZANI, A. AND PROVERBIO, A.M. The cognitive electrophysiology of mind and brain. Edtion ed. Amsterdam ; Boston: Academic Press, 2003. xvii, 436 p. p. ISBN 0127754210 (alk. paper). 12
Doc. Ing. Jan Kremláček, PhD Univerzita Karlova v Praze, Lékařská fakulta v Hradci Králové Šimkova 870, 50038 Hradec Králové, Česká republika e‐mail: [email protected] 13