Ludzki mózg to najbardziej skomplikowany żywy organ. Sposób jego działania daje się jednak sprowadzić do pewnych podstawowych procesów fizyczno-chemicznych. Dzięki nowoczesnej nauce i zaawansowanej technologii wreszcie możemy zbadać je dokładniej.
Metody badania mózgu wykorzystywane na gruncie neuronauki różnią się ze względu na sposób mierzenia aktywności neuronów, czyli jego podstawowych komórek. I tak: część narzędzi mierzy bezpośrednią aktywność neuronów, część rejestruje zmiany metaboliczne towarzyszące ich aktywności, pozwalając na wnioskowanie o ich aktywności pośrednio. Jeszcze inne rejestrują efekty krótkotrwałej ingerencji w działanie neuronów, pozwalając na porównywanie kondycji mózgu w różnych warunkach. Razem dostarczają coraz lepszej wiedzy o działaniu ludzkiego mózgu. Przedstawię tu narzędzia najbardziej reprezentatywne dla każdej z tych grup.
Po pierwsze: elektryczność, czyli metody bezpośrednie
W 1780 r. Luigi Aloisio Galvani, włoski fizyk, biolog i filozof, wywołał skurcz mięśni martwej żaby przy użyciu impulsu elektrycznego. Dowiódł w ten sposób, jak ważną rolę w działaniu układu nerwowego pełni elektryczność. Istotnie, podstawą działania całego układu nerwowego – a przede wszystkim mózgu – są nieustanne wyładowania elektryczne neuronów. Pomiar elektryczności, towarzyszącej aktywności neuronów, może zatem informować o pracy mózgu.
Najbardziej bezpośrednią techniką rejestracji aktywności mózgu jest zapis elektrycznej aktywności pojedynczych neuronów. Metoda polega na wprowadzaniu do nich cieniutkich elektrod igłowych (ang. single unit recording). Za każdym razem, kiedy neuron jest aktywny, generuje napięcie, które zostaje w czasie rzeczywistym zarejestrowane przez elektrodę. To właśnie dzięki tej metodzie John O’Keefe odkrył strukturę mózgu, która determinuje umiejętność orientacji w przestrzeni. Kiedy wprowadził elektrody w pojedyncze komórki nerwowe szczurów, zauważył interesującą zależność: pewna grupa neuronów formacji hipokampu zmieniała swoją aktywność w zależności od lokalizacji szczura w pokoju. Pewne komórki były aktywne (czyli generowały prąd) wyłącznie wtedy, gdy zwierzę znajdowało się w określonym miejscu pokoju, z kolei inne – gdy zwierzę zmieniło lokalizację. Wykazał tym samym, iż hipokamp to nasza wewnętrzna mapa otoczenia.
Rejestracja aktywności pojedynczych neuronów doprowadziła do wielu przełomowych odkryć w dziedzinie nauk o mózgu. Należy zwrócić uwagę, że wymaga ona wprowadzenia w żywą tkankę nerwową igły. Metoda ta stosowana jest głównie w badaniach zwierząt, a w przypadku ludzi – tylko w uzasadnionych przypadkach medycznych.
Mózg zatem jest swoistą puszką pod napięciem. Jego aktywność elektryczną można jednak badać bez ingerencji w jego strukturę, za pomocą elektrod rozmieszczonych na skórze głowy, metodą zwaną elektroencefalografią, w skrócie EEG. Powstanie tej metody i jej pionierskie użycie zawdzięczamy specyficznym wierzeniom niemieckiego psychiatry Hansa Bergera. Uczony ten był przekonany o istnieniu telepatii – uważał, że ludzkie mózgi mogą się ze sobą komunikować, a medium tej komunikacji miało stanowić pole elektryczne. W 1924 r. postanowił zmierzyć to pole za pomocą metalowych elektrod przyłożonych do skóry czaszki. Choć nie udało mu się wykazać istnienia telepatii, to z sukcesem zarejestrował, w sposób nieinwazyjny, elektryczną aktywność ludzkiego mózgu. Swoje urządzenie nazwał elektroencefalografem, a powstały dzięki niemu zapis – elektroencefalogramem. Bardzo szybko zauważył, że w zapisie odzwierciedlającym elektryczną aktywność mózgu można zaobserwować wyraźnie rytmy. Jeżeli osoba była odprężona, miała zamknięte oczy lub wręcz spała, dominujące były powolne rytmy. Tę specyficzną rytmiczność sygnału Berger nazwał falą alfa. Charakteryzuje się ona regularnymi wyładowaniami neuronów kory mózgowej z częstotliwością około 8–12 razy na sekundę (Hz). Następnie zauważył, że jeżeli mózg jest aktywny poznawczo, następuje desynchronizacja tego rytmu, który jest stopniowo wypierany rytmem o większej częstotliwości – tzw. rytmem beta (od około 13–30 Hz). W dzisiejszych czasach rejestracja i analiza rytmów stanowi podstawowe zastosowanie EEG w praktyce eksperymentalnej i diagnostycznej. Za pomocą elektrod umieszczonych w specjalnym czepku możliwe jest rejestrowanie, w jakim stanie znajduje się mózg: od głębokiego snu, poprzez stan czuwania, aż po wzmożoną aktywność intelektualną.
Analiza rytmów EEG umożliwia diagnozę niektórych chorób neurologicznych, jak ADHD czy padaczka. Co więcej, rytmiczność fal EEG bywa także wykorzystywana w praktyce terapeutycznej i specjalistycznych treningach, prowadząc do poprawy psychicznego funkcjonowania. Dzięki użyciu specjalnego oprogramowania możemy bowiem (do pewnego stopnia) nauczyć się świadomie wywoływać określone rytmy mózgowe – a w konsekwencji – wprowadzać nasz mózg w dany stan (tzw. neurobiofeedback). I tak na przykład osoby skłonne do zdenerwowania można uczyć wywoływania rytmów związanych z relaksem, a sportowców, aktorów czy muzyków – tych związanych z najwyższym poziomem koncentracji.
Mózg wie, zanim ty pomyślisz. Obok analizy rytmów EEG, równie popularnym sposobem analizy sygnału EEG w badaniach naukowych jest tzw. analiza potencjałów skorelowanych ze zdarzeniem – ERP (ang. Event-Related Potentials). Potencjały to zmiany w zapisie EEG spowodowane pojawieniem się pewnego zdarzenia (np. sygnału dźwiękowego czy wzrokowego). Dzięki wysokiej precyzji czasowej rejestracji sygnału (z dokładnością nawet do jednej milisekundy) potencjały związane ze zdarzeniem informują o dynamice procesów psychicznych, umożliwiając prześledzenie krok po kroku, jak mózg przetwarza pewne bodźce, również te, które nie są dostępne naszej świadomości. Na przykład dzięki badaniom potencjałów wiemy, że nasz mózg automatycznie nadaje priorytety informacjom, które do niego docierają. Wzmacnia przetwarzanie tych bodźców, które w danej sytuacji mogą być dla nas istotne i dzieje się to już po kilkudziesięciu milisekundach od pojawienia się bodźca, czyli jeszcze zanim w ogóle świadomie zdamy sobie sprawę, co ten bodziec oznacza.
Obok największej zalety – doskonałej precyzji czasowej pomiaru – EEG daje słabą możliwość lokalizacji struktur mózgowych stanowiących źródło sygnału elektrycznego. Rejestrowany sygnał jest bowiem wypadkową wielu milionów neuronów, znajdujących się głównie pod czaszką. Na uwagę zasługuje również fakt, że w rozwoju badań nad aktywnością elektryczną mózgu swoje zasługi miał polski uczony Adolf Beck. W 1890 r. na Uniwersytecie Jagiellońskim mierzył on odpowiedź elektryczną mózgu. W przeciwieństwie do Bergera swoje eksperymenty prowadził na zwierzętach, a aktywność elektryczną mierzył w sposób inwazyjny.
Do bezpośrednich metod badania aktywności mózgu należy również magnetoencefalografia (MEG). Tu mierzone jest pole magnetyczne towarzyszące aktywności neuronów. Choć poprawia to precyzję przestrzenną pomiaru, olbrzymi koszt utrzymania urządzenia powoduje, że nie jest ono tak popularne.
Po drugie: metabolizm, czyli metody pośrednie
Te sposoby, w przeciwieństwie do bezpośrednich, nie mierzą aktywności neuronów, a rejestrują zmiany w metabolizmie, które takiej aktywności towarzyszą. Bardziej aktywny mózg, tak jak pracujący w trakcie wysiłku mięsień, wymaga więcej paliwa. Jest ono dostarczane poprzez krew, a więc im bardziej ukrwiony organ, tym bardziej aktywny.
Idea badania aktywności mózgu na podstawie jego ukrwienia pojawiła się stosunkowo dawno. Już w wydanej w 1890 r. książce Wiliama Jamesa „Principles of Psychology” możemy przeczytać ciekawy opis eksperymentu Angelo Mosso. Uczestnik badania leży na delikatnie wyważonym stole, który może przechylić się albo w kierunku stóp albo w kierunku głowy. Za każdym razem, gdy badany podejmuje aktywność intelektualną, w wyniku zwiększonego przepływu krwi do mózgu (jak uważał autor badań) stół przechyla się w kierunku głowy.
Choć wynik eksperymentu mógł być po prostu spełnieniem życzeniowego myślenia autora – dziś wiemy, że idea była słuszna: aktywniejszy mózg potrzebuje więcej paliwa w postaci tlenu czy glukozy, a te transportowane są wraz z krwią. Co więcej, mózg sam reguluje dostawy, zwiększając ukrwienie tych rejonów, które w danym momencie są bardziej aktywne. Założenie tych metod jest zatem dosyć proste: mierząc zmienność w poziomie ukrwienia struktur mózgowych, mierzymy ich aktywność. Zanim na taki pomiar pozwoliła jednak technologia, od eksperymentu Mosso musiało upłynąć ponad sto lat. Rozwój metod pośrednich w badaniu funkcjonowania mózgu przypada bowiem dopiero na początek lat 90. Wówczas powstało najpopularniejsze w praktyce narzędzie pośredniego pomiaru – funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI).
Historia rezonansu magnetycznego rozpoczęła się odkryciem rezonansu jądrowego przez Feliksa Blocha i Edwarda Purcella, uhonorowanych za to w 1962 r. Nagrodą Nobla z fizyki. Na bazie ich odkrycia pod koniec lat 70. powstał pierwszy tomograf magnetyczny. Sporych rozmiarów, dosyć hałaśliwa, cylindryczna maszyna kryje w sobie olbrzymi magnes generujący pole magnetyczne najczęściej rzędu 3 Tesli, czyli ok. 50 tys. razy silniejsze niż pole wytwarzane przez naszą planetę. W tym polu umieszczany jest człowiek, którego, jak wiemy, skład chemiczny to w 75 proc. woda, a więc głównie atomy wodoru. W normalnych okolicznościach są one w tkankach ułożone chaotycznie i przypadkowo, jednak pole magnetyczne rezonansu porządkuje je, powodując, iż układają się one wzdłuż jego linii. Tak „trzymane na smyczy” atomy wodoru generują pewien sygnał, który może być zarejestrowany za pomocą rezonansu. Kluczowe jest, że ów sygnał jest różny w zależności od otaczających atom tkanek. Umożliwia to odseparowanie poszczególnych tkanek mózgu i stworzenie jego trójwymiarowych map, bardzo dokładnie odzwierciedlających budowę, strukturę i gęstość.
Metoda rezonansu magnetycznego umożliwiła obrazowanie poszczególnych struktur mózgu. Ale jak możliwe jest obrazowanie aktywności tkanek? Umożliwiają to różne właściwości magnetyczne hemoglobiny – składnika krwi, który transportuje tlen. Na początku lat 90. fizyk Seiji Ogawa odkrył, że hemoglobina zachowuje się w rezonansie inaczej, gdy transportuje tlen i gdy go nie transportuje. Kontrastując sygnał natlenowanej i nienatlenowanej hemoglobiny, możemy uzyskać obraz, na którym widoczne są te obszary mózgu, gdzie znajduje się więcej tlenu (tzw. skany funkcjonalne). Widoczne zatem na takich obrazach „świecące” obszary mózgu są rejonami zgłaszającymi w danym momencie większe zapotrzebowanie na paliwo, a więc – jak zakłada metoda – są bardziej aktywne.
Stwarza to olbrzymie możliwości badania pracującego mózgu. Gdy osoba badana leżąca w skanerze jest aktywna poznawczo, możemy zobaczyć, które regiony mózgu towarzyszyły tej aktywności. Na przykład gdy rozwiązuje skomplikowane zadanie matematyczne, „świecić” będzie jej kora przedczołowa.
Metoda fMRI w nieoceniony sposób umożliwiła eksplorowanie obszarów aktywowanych specyficznie w konkretnych zadaniach. W przeciągu ostatnich 20 lat umożliwiła identyfikację oraz lokalizację regionów mózgu odpowiadających za większość funkcji psychicznych. To dzięki skanom funkcjonalnym wiemy m.in., gdzie i jak formowane są wspomnienia, które regiony kreują emocje, gdzie następuje nauka nowych umiejętności, a który rejon odpowiada za podejmowanie decyzji.
Przy bardzo wysokiej precyzji przestrzennej pomiaru w rezonansie, największą wadą tej metody jest słaba precyzja czasowa pomiaru. Od momentu, gdy neurony zgłaszają zapotrzebowanie na zwiększoną dostawę paliwa, do momentu, kiedy rzeczywiście krew bogata w tlen do nich dotrze, mija jakieś 6 sekund. Powoduje to, iż technika nie jest w stanie mierzyć dynamiki zmian funkcji psychicznych (w przeciwieństwie do omówionego powyżej EEG). Kontrowersyjny jest też fakt, że fMRI mierzy aktywność neuronów tylko pośrednio. Nie możemy mieć pewności, czy w neuronach znalazło się więcej tlenu, bo były one bardziej aktywne, czy może stało się tak z jakiegoś innego powodu. To, że większa ilość zgromadzonego w nich tlenu wiąże się z ich większą aktywacją, jest bowiem wciąż założeniem, którego nie udało się do końca potwierdzić. Na koniec warto wspomnieć, iż metoda fMRI jest w pełni bezpieczna dla badanych – przebywanie w tak silnym polu magnetycznym nie wydaje się w żadnym stopniu szkodliwe dla uczestników badań (pod warunkiem iż w ich ciele nie znajduje się metal).
Po trzecie: stymulacja
Te metody przejściowo ingerują w funkcjonowanie neuronów, krótkotrwale zakłócając lub wzmacniając ich pracę. Pierwsze próby stymulacji mózgu, poprzez drażnienie kory mózgowej zmiennym prądem elektrycznym, rozpoczęto pod koniec XIX w. David Ferrier, angielski lekarz i uczony, drażniąc różne miejsca kory ruchowej zwierząt, wywoływał u nich pewne powtarzalne ruchy. Tego typu stymulacja – choć inwazyjna – okazała się możliwa do zastosowania również u ludzi, konkretnie u pacjentów przechodzących operacje mózgu. Stymulując korę mózgową prądem elektrycznym, aktywowano lub dezaktywowano pewne funkcje psychiczne.
Co ciekawe, pomimo że pacjent poddawany stymulacj ma otwartą czaszkę, a przez jego mózg przepuszczany jest prąd elektryczny, pozostaje on świadomy i zdolny do opowiadania o swych przeżyciach. Jest to możliwe ze względu na fakt, że mózg nie posiada receptorów bólowych. Znane są przypadki, gdy podczas stymulacji kory wzrokowej pacjenci opowiadali o niezwykle barwnych i wyrazistych filmach przedstawiających dawno zapomniane przez nich wydarzenia. Z drugiej strony – gdy stymulowano obszary mowy – słowa wypowiadane przez operowanych pacjentów stawały się niewyraźne, dziwacznie zniekształcone, a niekiedy komunikacja z nimi była kompletnie niemożliwa. Zdarzało się także, że pomimo powagi sytuacji część pacjentów w wyniku stymulacji odpowiednich regionów mózgu wybuchała niepohamowanym śmiechem.
Rozwój technologii XX w. spowodował, że tego typu „włączanie lub wyłączanie” poszczególnych funkcji psychicznych jest możliwe do zastosowania w sposób w pełni bezpieczny i nieinwazyjny. Wśród kilku narzędzi umożliwiających stymulację mózgu na szczególną uwagę zasługuje przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS).
W badaniu z użyciem TMS do głowy uczestnika przykłada się elektromagnes, którego pole powoduje wyładowania neuronów znajdujących się zaraz pod nim. W zależności od tego, czy impulsy aplikowane są pojedynczo czy seryjnie – możemy albo usprawnić funkcjonowanie znajdujących się poniżej obszarów, albo całkowicie zablokować ich działanie. Neuronaukowcy mogą zatem porównywać zachowanie uczestnika badań, kiedy dana struktura mózgowa nie była stymulowana, została wzmocniona lub całkowicie wyłączona. Postępowanie takie umożliwia dużą dozę pewności w wyciąganiu przyczynowych wniosków o funkcjonalnej roli poszczególnych struktur mózgu. Aplikując pole magnetyczne w odpowiednie rejony kory mózgowej, naukowcom udało się np. wywołać widzialne rozbłyski, wywoływać ruch uczestników badań, polepszyć lub pogorszyć ich wykonanie zadania matematycznego, zwiększyć lub zmniejszyć intensywność przeżywanych emocji, przywołać pewne wspomnienia czy nawet zmienić ocenę moralną czynów albo sprawić, że nie byli oni w stanie kłamać.
Choć bezpieczeństwo metody może budzić kontrowersje (ingerencja w struktury mózgowe), do tej pory w badaniach TMS wzięły udział setki tysięcy osób, wykazując, iż metoda jest w pełni bezpieczna, a zaburzenie funkcjonowania neuronów jest czasowe. Co więcej, wiele nowszych badań pokazuje, że powtarzana stymulacja TMS może stanowić remedium na pewne formy chorób psychicznych, np. depresji. Przeciwwskazaniem jest podatność na stany padaczkowe – stymulacja może wywołać atak. Ograniczeniem metody jest problem dokładnej lokalizacji struktur, które mają być stymulowane. Precyzyjne trafienie w niektóre z nich bywa problematyczne, dlatego często jest wspomagane skanem strukturalnym rezonansu magnetycznego. Ponadto zasięg działania TMS sięga tylko około 2 cm w głąb kory mózgowej, dlatego jego możliwości stymulacyjne dotyczą tylko wierzchniej części kory mózgowej.
Sukces mózgu
Pomimo iż żadna z technik badania mózgu nie jest doskonała, dostępne metody uzupełniają się wzajemnie. Wysoka precyzja czasowa EEG jest uzupełniana wysoką precyzją przestrzenną fMRI. Pośredniość we wnioskowaniu o roli poszczególnych struktur uzyskanych w fMRI może być potwierdzona przez badanie TMS. Dlatego też przyszłość to nie tylko ciągłe udoskonalanie istniejących i tworzenie nowych metod, ale również umiejętne ich łączenie. Przyszłość to także obserwacja mózgu nie w izolacji ze względu na poszczególne jego struktury, ale spojrzenie na mózg jako niepodzielną, wzajemnie połączoną i współpracującą całość, co okazuje się niezwykle złożonym zadaniem. Niestety, nowe metody często zamiast przybliżać nas do pełnego zrozumienia działania mózgu, uświadamiają nam, że jego działanie jest jeszcze bardziej złożone, niż wydawało się do tej pory. Należy przy tym pamiętać, iż gdyby nasz mózg nie był tak skomplikowany, prawdopodobnie nie bylibyśmy w stanie w ogóle zgłębiać jego tajemnic. To dzięki niemu mogliśmy i wciąż będziemy mogli tworzyć nowe narzędzia do poznawania jego pracy. Dlatego też za najlepsze narzędzie do poznania pracy mózgu należy uznać… sam mózg. Intrygującym pytaniem jest, czy będzie on w stanie w końcu poznać działanie samego siebie?