3. Metody obrazowania +(1).pdf

Metody

obrazowania

W ostatnich latach badania psychofizjologiczne niezwykły po-

stęp zawdzięczają tzw. metodom obrazowania. Pozwalają one

na określenie z wielką precyzją, jakie struktury mózgu są zaan-

gażowane w wykonywanie konkretnego zadania mentalnego.

W psychofizjologii używa się dwóch takich metod: pozytrowno-

wej tomografii emisyjnej (PET, ang. positron emission tomo-

graphy ) oraz funkcjonalnej tomografii opartej o zjawisko rezo-

nansu magnetycznego zwana w skrócie funkcjonalnym rezo-

nansem magentycznym (fMRI, ang. functional magnetic reso-

nanse imaging). Żadna inna metoda psychofizjoloczna nie po-

siada tak wysokiej rozdzielczości przestrzennej – dokładności

lokalizacji (Posner & Raichle, 1994; Raichle, 1994).

Do czasu wynalezienia tych metod lokalizacja struktur odpo-

wiedzialnych za określone operacje umysłowe opierała się na

metodach neuropsychologicznych: wnioskowano o funkcji ja-

kieś struktury na podstawie badań pacjenta, który miał uszko-

dzoną tę strukturę. Tego typu badania, choć ich wkładu do zro-

zumienia czynności mózgu nie da się przecenić, mają co naj-

mniej dwa poważne ograniczenia. Po pierwsze, badanych

struktur ze względów etycznych nie można u ludzi uszkadzać

dla celów eksperymentalnych. Tak więc bada się struktury

uszkodzone w sposób naturalny, np. po wylewie krwi do mózgu

lub po wypadku. Trudno jednak oczekiwać, że tego typu uszko-

dzenie będzie ograniczać się do jednej anatomicznej struktury.

Po drugie, liczba chorych z określonym uszkodzeniem, które

mogą zostać poddane badaniu, jest niewielka: w zasadzie zna-

lezienie dwóch osób, które mają uszkodzenie w tym samym

Piotr Jaśkowski - Zarys psychofizjologii

miejscu i o tej samej rozległości jest rzeczą niemożliwą. Zatem

uogólnianie wniosków z takich badań i obserwacji jest niezwykle

trudne.

Wynalezienie tomografii komputerowej i rezonansowej, które

pozwalają na wykonanie trójwymiarowego obrazu mózgu żywej

osoby, już była niezwykłym osiągnięciem i równocześnie wprowa-

dzeniem do kolejnego etapu, mianowicie do sporządzania trójwy-

miarowej mapy aktywności mózgu. Nic zatem dziwnego, że oba te

milowe kroki zostały wysoko ocenione przez środowisko naukowe,

co znalazło swoje odzwierciedlenie w przyznaniu Nagród Nobla. W

1979 r. to najwyższe wyróżnienie naukowe dostali Allan M. Cor-

mack z Tufts University w Medford (USA) oraz Godfrey N. Ho-

unsfield z Central Research Laboratories w Londynie. W roku 20-

03 za tomografię rezonansową Nagrodę Nobla przyznano Paulowi

C. Lauterburowi z University of Illinois (USA) oraz Sir Peterowi

Mansfieldowi z University of Nottingham (Wielka Brytania). W obu

przypadkach uznano wkład tych naukowców w rozwój medycyny,

chociaż wszyscy reprezentowali nauki ścisłe.

Pozytronowa tomografia

emisyjna (PET)

W pozytronowej tomografii emisyjnej konieczne jest wprowadze-

nie do krwi radioaktywnego znacznika – substancji zawierającej

pierwiastek promieniotwórczy – i to takiego, który podczas rozpa-

du emituje pozytron. Zwykle używa się dwóch typów takich sub-

stancji. Jedną jest tlen 15 O, drugą glukoza, a dokładniej 18-F-

fluoro-2-deoksyglukoza (F-FDG), w której pierwiastkiem radioak-

tywnym jest żelazo 18 F. W zależności od tego, jaką substancję za-

stosujemy, PET mierzy nieco inną wielkość.

Wraz z krwią znacznik ten płynie do mózgu. Dzięki temu, że jego

cząsteczki od czasu do czasu wysyłają kwanty promieniowania,

które można zarejestrować za pomocą specjalnych detektorów

(czujników) rozmieszczonych wokół czaszki badanego, możliwe

jest znalezienie miejsc gromadzenia się znacznika. Jeśli komórka

3. Metody obrazowania

foton

obiekt

badany

Detektor

anihilacja

Fig. 3.1. Zasada działania PET. Z miejsca, w których zaszła anihilacja pozytronu i elektronu

rozchodzą się wzdłuż linii prostej w przeciwnych kierunkach dwa fotony o równych ener-

giach. Droga, jaką muszą przebyć, aby dotrzeć do detektorów, zależy od miejsca anihilacji.

jest aktywna, potrzebuje więcej energii, a zatem zgłasza większe

zapotrzebowanie na substancje odżywcze. Okazuje się, że zwięk-

szeniu ulega również zaopatrzenie w krew tego obszaru. Radioak-

tywy tlen pozwala nam na zlokalizowanie tego miejsca. Podobnie

jest w przypadku glukozy, która jest podstawowym paliwem komó-

rek. Sprzyjającym faktem jest także to, że neurony wykorzystują

tylko glukozę, podczas gdy pozostałe komórki organizmu mogą

produkować energię również z lipidów. Aby lepiej jeszcze móc ob-

serwować pochłanianie przez komórki metabolitów energetycz-

nych, zamiast zwykłej glukozy stosuje się F-FDG, które nie podlega

takim przemianom metabolicznym jak zwykła glukoza, a zatem

zostaje uwięzione w komórkach. Pierwsze 15-30 min. od chwili

iniekcji F-FDG nazywane jest okresem absorpcji radiowskaźnika;

w tym czasie F-FDG dociera do mózgu i podlega przemianie fosfo-

rylacji. W następnym okresie trwającym 30-60 min. zwanym okre-

sem skanowania mózg przypomina powoli blednącą fotografię

(Reiman, Lane, van Petten & Banfettini, 2000): ilość radioznacz-

nika zanika stopniowo, a wraz z nim informacje na temat aktyw-

ności danego obszaru mózgu.

Zauważmy, że PET faktycznie mierzy nie tyle aktywność mózgu,

lecz zaopatrzenie w krew lub gromadzenie się substancji odżyw-

czych, wielkości pośrednio związanych z aktywnością. Na podob-

Piotr Jaśkowski - Zarys psychofizjologii

nej zasadzie wywiad, ustalając wielkość jednostki wojskowej wro-

ga, szacuje np. ilość nieczystości produkowanych przez tę jed-

nostkę.

Oba zawarte w znacznikach pierwiastki promieniotwórcze od

czasu do czasu wysyłają cząsteczkę zwaną pozytronem, która pod

każdym innym względem jest identyczna z elektronem poza ła-

dunkiem – ładunek elektryczny pozytronu jest dodatni. Pozytron

żyje bardzo krótko – zdąży w swoim żywocie przemieścić się zale-

dwie kilka milimetrów, zanim zostanie unicestwiony w zderzeniu z

jakimś elektronem. Takie zdarzenie prowadzi do anihilacji – za-

równo pozytron, jak i elektron znikają, a w ich miejsce pojawiają

się dwa kwanty promieniowania elektromagnetycznego (fotony) o

tych samych energiach, rozbiegające się w przeciwnych kierun-

kach wzdłuż linii prostej od miejsca zderzenia. Te fotony są reje-

strowane przez detektory otaczające czaszkę. Oba docierają do

detektorów prawie jednocześnie, prawie, dlatego że jeden foton

ma zwykle nieco bliżej do detektora niż drugi (rys. 3.1), ale ze

względu na ogromną prędkość światła różnica w czasach dotarcia

jest niezwykle mała. Ten fakt wykorzystuje się do wyznaczenia li-

nii, po której biegły fotony: jeśli stwierdzi się, że dwa fotony dotarły

prawie równocześnie do dwóch detektorów, przyjmuje się, że po-

chodzą one z tej samej anihilacji. Znając miejsca, do których do-

tarły, można wyznaczyć ich trajektorię. Wobec tego nieznaczna

różnica w czasach dotarcia pozwala na wyznaczenie, z jakiego

punktu tej prostej wyruszyły (Pankowski, 2001).

Technika odejmowania

Jest oczywiste, że procesy metaboliczne muszą odbywać się w ca-

łym mózgu. Jeśli zatem dokonamy za pomocą PET badania mózgu

uczestnika wykonującego określone zadanie mentalne, każda

struktura wykaże mniejszą lub większą aktywność. Jak zatem

określić, który obszar jest specyficznie zaangażowany w wykony-

wanie tego zadania? Może się wydawać, że najlepszym rozwiąza-

niem byłoby sprawdzenie, który ośrodek wykazuje największą ak-

tywność. Ale nie jest to najlepsze rozwiązanie. Załóżmy, że chce-

my zbadać, ośrodek zaangażowany w odczytywanie znaczenia

przeczytanego słowa. W tym celu w trakcie pomiaru PET uczestnik

3. Metody obrazowania

czyta słowa ukazujące się na ekranie. Zapewne

zobaczymy w takiej sytuacji, że kilka obszarów

mózgu wykazuje wysoką aktywność, w szczegól-

ności płat potyliczny, gdzie znajduje się kora

wzrokowa, i płat skroniowy, gdzie znajduje się

obszar mowy Wernickego. Aktywacja płata poty-

licznego jest jednak podwyższona nie dlatego, że

badany próbuje zrozumieć napisane słowa, lecz

dlatego, że aby je zrozumieć, musi je najpierw

zobaczyć.

Aby ominąć ten problem, stosuje się tzw. tech-

nikę odejmowania. Polega ona w najprostszym

przypadku na tym, że doświadczenie wykonuje

się w dwóch sytuacjach badawczych, które są

pod każdym względem takie same, poza faktem

jednak, że jedno z zadań wymaga zaangażowa-

nia badanej zdolności poznawczej, a drugie nie.

Na przykład, aby zbadać, jakie ośrodki są odpo-

wiedzialne za spostrzeganie barw, nie wystarczy

badać natężenia procesów metabolicznych mó-

zgu w trakcie oglądania przez badanego koloro-

wych obrazków. Oprócz takiego badania, trzeba

wykonać drugie, w którym badany ogląda obrazki

takie same jak w pierwszym badaniu, ale pozba-

wione koloru, czyli ogląda obrazki czarno-białe.

Jeśli teraz uzyskaną mapę aktywności w badaniu

bodźcami czarno-białymi odejmiemy od mapy

uzyskanej w badaniu bodźcami kolorowymi (tzn.

natężenie sygnału PET w danym punkcie jednej

mapy odejmiemy od natężenia sygnału PET w

bierne oglądanie

bierne słuchanie

wypowiadanie słów

generowanie

czasowników

Rys. 3.2 Ilustracja metody odejmowania na podstawie wyników uzyskanych przez Peterse-

na i wsp. (1988). Każda mapa aktywności powstała z odjęcia mapy uzyskanej dla danego

zadania (np. głośne czytanie) minus mapa uzyskana dla zadania o „jeden stopień” łatwiej-

szego (np. bierne oglądanie). Uzyskane w ten sposób mapy sugerują obszary specyficznie

związane z wykonywaniem danego zadania. Poziomy aktywności zaznaczone są odcienia-

mi szarości (czarny —najwyższa; biały — najniższa).

bierne oglądanie

bierne słuchanie

wypowiadanie słów

generowanie

czasowników

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: