Działanie mózgu

1. Inteligentne Systemy Autonomiczne Działanie mózgu Wykorzystano materiały z wykładu Prof. Włodzisława Ducha Uniwersytet Mikołaja Kopernika Janusz A. Starzyk Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania w Rzeszowie

2. Dzialanie mózgu • Schemat ogólny działania mózgu: • receptory i efektory; • regulacja organizmu; • centrala przekazująca przefiltrowane infromacje; • szybki szlak reakcji w systuacji zagrożenia, emocje dające chęć do działania, pamięć; • wolniejszy szlak świadomego rozpoznania, analizy, określania wartości, planowania.

3. Dzialanie mózgu

4. Szlak świadomego rozpoznania • Szlak świadomego rozpoznania - od receptorów zmysłowych, przez jądra wzgórza, do pierwotnej kory zmysłowej, • pobudzenia kory interpretowane są jako podstawowe wrażenia • wzrok, słuch, dotyk, • oraz ich umiejscowienie • miejsce ciała, relacje przestrzenne. • Wtórna kora zmysłowa nadaje sens wrażeniom: • co czuję, • co z tym mam począć? • Rozpoznawanie afektywne i kognitywne jest zwykle zintegrowane: • rozpoznaję i czuję, że tak jest.

5. Metody badania aktywności mózgu • Analiza urazów powypadkowych • Kontrolowane uszkodzenia mózgu • Techniki nie-inwazyjne

6. Analiza urazów powypadkowych • Już Egipski papirus sprzed 3500 lat wymienia 28 uszkodzeń mozgu • dokonywano wtedy trepanacji czaszki by wyciąć guzy. • Arystoteles uznał serce za siedlisko uczuć i rozumu. • W 3-cim wieku Herofilos, lekarz z Aleksandrii twierdził, że mózg odpowiedzialny jest za życie psychiczne. • Galen z Pergamonu: • uszkodzenia rdzenia, móżdżka i koordynacja ruchów. • 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, tępiąc poglądy Vesaliusa ... • Systematyczne badania skutków urazów rozpoczęło się w XIX wieku.

7. Kontrolowane uszkodzenia mózgu • Kontrolowane uszkodzenia mózgu • możliwe są tylko w badaniach na zwierzętach • pozwalają na analizę tylko prostych zachowań. • Hitzing i Fritsch, koniec XIX wieku stymulowali elektrycznie mózgi zwierząt. • Operacje u pacjentów cierpiących na padaczkę: mapy Wilreda Penfielda z lat 1950.

8. Techniki nie-inwazyjne • Elektoencefalografja, EEG • Magnetoencefalografia, MEG • Arteriografia lub angiografia • Tomografia rentgenowska, CAT • Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT • Pozytonowa tomografia emisyjna, (PET) • Magnetyczny rezonans jądrowy, (NMR) • Funkcjonalny MRI, fMRI • Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS

9. Techniki nie-inwazyjne • Elektoencefalografja, EEG • EEG pozwala wczesnie wykryć głuchotę, skłonności do padaczki, zaburzenia neurologiczne. • Badania potencjałów wywołanych (ERP) czyli wiele uśrednionych sygnałów EEG • Charakterystyczne sygnały pojawiają się po 300 msek • Wzrost amplitudy proporcjonalny do stymulacji. • Magnetoencefalografia, MEG • podobnie jak EEG, ale pozwala dotrzeć do głębszych źródeł. • Zalety: szybkozmienne sygnały. • Wady: kosztowna aparatura, trudna interpretacja.

10. Techniki nie-inwazyjne • Arteriografia lub angiografia • po wstrzyknięciu kontrastu wykonuje się zdjęcia rentgenowskie, • obrazuje tetnice.

11. Techniki nie-inwazyjne • Tomografia rentgenowska, CAT • można wykryć guzy, • dobrze widoczne różnice, kość-tkanka miękka, • ale słabo widoczne tkanki. • wiązka krąży wokół głowy, z licznikiem po drugiej stronie. • dość bezpieczna i tania.

12. Techniki nie-inwazyjne • Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT • Spektroskopia pojedynczych fotonów z promienio-twórczych jąder ksenonu 133, jodu lub technetu • Tłumienie zależy od tkanki, przez którą przechodzą fotony - powoduje to słabą rozdzielczość. • Pozwala używać związków pochłanianych przez specyficzne struktury mózgu. • Pozwala wykryć różne substancje. • Rozdzielczość czasowa rzędu 1 min, przestrzenna kilka cm.

13. Techniki nie-inwazyjne • 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.

14. Techniki nie-inwazyjne • Pozytonowa tomografia emisyjna, (PET)

15. Techniki nie-inwazyjne • 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. • Funkcjonalny MRI, fMRI • Rezonans jąder tlenu, • pokazuje sygnał BOLD (Blood Oxygen-Level Dependent), czyli przepływ krwi. • Tańszy od PET, nie wymaga izotopów. • Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS • pozwala na pomiar koncentracji różnych pierwiastków.

16. Techniki nie-inwazyjne • Magnetyczny rezonans jądrowy, (NMR) • Funkcjonalny MRI, fMRI • Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS

17. Przyszłość technik nie-inwazyjnych • Połączenie MEG z fMRI, • szybkość i precyzja • można obserwować aktywność przy ruchu poszczególnych palców • niestety ta technika rozwija się powoli. • Ciekawe rezultaty wynikające z neuroobrazowania. • 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.

18. Przyszłość technik nie-inwazyjnych • Transcranial Magnetic Stimulation (TMS), czyli magnetyczna stymulacja przezczaszkowa • Pozwala na selektywną i bezinwazyjną stymulację wybranych obszarów mózgu. • Osiągana precyzja jest rzędu milimietrów. • TMS ma też zastosowania terapeutyczne w depresji, halucynacjach, padaczce. • Literatura • Haier RJ, Jung RE, Yeo RA, et al. The neuroanatomy of general intelligence: sex matters. NeuroImage 25:320-327, 2005.