Czy możemy monitorować żywy mózg?
Wszystko, co czyni z nas ludzi – myśli, marzenia, natchnienie – pochodzi z obszaru mózgu, który oddzielony i rozprostowany zająłby nie więcej miejsca niż serwetka obiadowa. Jest to kora mózgowa, zewnętrzna powłoka mózgu. Dziś, przy użyciu nowej techniki zwanej obrazowaniem metodą czynnościowego rezonansu magnetycznego (fMRI – functional magnetic resonance imaging), naukowcy poznają działanie tego najważniejszego organu ludzkiego.
Trudno jest przecenić znaczenie tego przełomu. Nie tak dawno temu jedynym sposobem badania funkcjonowania mózgu było wstrzyknięcie zwierzęciu izotopu promieniotwórczego, zabicie go i zrobienie sekcji tkanki mózgowej. Można było wówczas badać, na jakim poziomie zgromadził się izotop w różnych obszarach i wnioskować na tej podstawie, które części mózgu były aktywne. W późniejszej technice, zwanej emisyjną tomografią pozytonową (PET – positron emission tomography), stosowano cząsteczki zawierające promieniotwórczy izotop tlenu, który wstrzykiwano do krwiobiegu badanej osoby. W ciągu kilku minut izotop ulegał rozpadowi promieniotwórczemu i emitował cząstki zwane pozytonami, które można było wykrywać poza organizmem. Przyglądając się skanom PET można było zauważyć „rozjaśnione” obszary mózgu, pobierające do swych zadań większe ilości krwi. Nie tak dawno znaczniki promieniotwórcze zostały dołączone do cząsteczek, o których wiadomo, że oddziałują jedynie z pewnymi rodzajami receptorów w określonych komórkach. Wynik: mapa rozmieszczenia w mózgu ściśle określonych komórek, wykonujących swoje czynności.
Podobnie jak bardziej znana technika obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI – magnetic resonance imaging), fMRI stało się w medycynie narzędziem powszechnego użytku. W obu metodach badany materiał umieszczany jest między biegunami olbrzymiego magnesu: protony, z których składają się jądra atomów wodoru w tym materiale, zaczynają wówczas wykonywać ruchy zwane precesją. Wyobraźmy sobie proton jako bąka kręcącego się szybko wokół własnej osi. Jeśli w dodatku oś obrotu powoli zakreśla koło, mówimy, że proton dokonuje precesji. Tempo precesji protonu zależy bardzo silnie od natężenia pola magnetycznego.
Jeśli przez tworzywo, którego protony dokonują precesji, przepuścimy fale radiowe, te fale, których częstotliwość odpowiada częstości precesji, będą oddziaływały z protonami. Laboranci przepuszczają zazwyczaj przez tkankę fale radiowe pod różnymi kątami, mierzą falę przechodzącą, a następnie, używając komputera, konstruują z radiowego wzoru trójwymiarowy obraz tkanki, przez którą przeszły te fale.
W zwykłym (albo strukturalnym) MRI liczbę protonów w różnych miejscach mierzy się za pomocą natężenia oddziaływania. Na podstawie tej informacji można sporządzić szczegółowe mapy różnych organów ciała. Czynnościowe MRI działa prawie w ten sam sposób, z wyjątkiem tego, że jest wystarczająco czułe, aby mierzyć niewielkie zmiany pola magnetycznego w miejscach, gdzie są protony, zmiany wywoływane nawet przez przepływ krwi. Te drobne zmiany pola magnetycznego pozwalają ujawnić, które partie mózgu zużywają więcej krwi podczas wykonywania określonego zadania.
Zatem w celu śledzenia funkcji żywego mózgu należy jedynie poinstruować ochotnika, aby położył się w urządzeniu MRI i wykonał pracę myślową, taką jak na przykład myślenie o określonym słowie. Komputer tworzy obraz mózgu, w którym obszary otrzymujące więcej krwi
„świecą”. Najnowocześniejsze tego rodzaju urządzenia mogą rozróżniać obszary z dokładnością do milimetra kwadratowego (grubość około jednego milimetra ma moneta groszowa). Taka duża rozdzielczość jest ważna, ponieważ mózg jest organem wysoko wyspecjalizowanym, a każdy jego obszar
– jest ich ogółem około tysiąca – wykonuje określone zadanie. Jeśli, na przykład, zamkniemy na chwilę oczy, a następnie otworzymy je znowu, to okaże się, że w to, wydawałoby się, nie wymagające wysiłku odtworzenie obrazu wzrokowego otoczenia zaangażowane są neurony z dziesiątków różnych obszarów mózgu. Niektóre rejony związane są jedynie z widzeniem obwodowym, inne dotyczą centralnego pola widzenia i tak dalej.
Dzięki tej nowej technice możemy uzyskać wgląd w samo sedno funkcjonowania umysłu. Na przykład w czasie pewnych badań ludzie władający dwoma językami otrzymali zadanie wymagające od nich myślenia to w jednym, to w drugim języku. Odkryto, że mówiąc różnymi językami, używamy tych samych obszarów mózgu. To chyba potwierdza obecne teorie lingwistyczne, według których mózg jest na stałe zaprogramowany na mowę, a różne języki są jak różne programy działające na tym samym urządzeniu.
Ostatecznym celem programów fMRI oraz PET jest utworzenie mapy całej kory mózgowej, ukazującej, które obszary i kombinacje obszarów zaangażowane są w przeprowadzanie konkretnych procesów myślowych. Pomysł polega na tym, że gdy zajmujemy się jakąkolwiek czynnością umysłową, od patrzenia na zieleń po myślenie o morsie w wannie, tworzący mapę będą w stanie powiedzieć dokładnie, które części kory mózgowej są w to zaangażowane. Podobnie jak projekt sporządzenia mapy ludzkiego genomu, mapa mózgu jest przedsięwzięciem tak fundamentalnym, tak niewyobrażalnym, że niektórych na myśl o tym ogarnia strach. Jak to dobrze, że przyszło nam żyć w czasach, gdy sporządzane są obydwie mapy!