Pohled na stavbu a funkci mozku

Pohled na stavbu a funkci mozku

Při zkoumání lidského mozku užívají vědci řadu metod. Pro lidi i zvířata existují postupy jednak postmortální (lat. po smrti), jednak metody in vivo (lat. za života). Každá z těchto technik přináší o stavbě a činnosti mozku důležité informace. Dokonce i ty prapůvodní postmortální studie dodnes ovlivňují naše představy o tom, jak mozek funguje. Současná doba se však zaměřuje na techniky přinášející informace o činnosti živého lidského mozku. Nečeká se, až lidé s nějakým onemocněním mozku umřou. Postmortální vyšetřování mozku však bylo východiskem současného bádání, a proto dříve, než přejdeme k modernějším technikám in vivo, probereme jeho výsledky.

#Postmortální studie

Celá staletí lékaři vyšetřovali mozky lidí, kteří zemřeli. Pitva mozku se při zkoumání vztahu mezi mozkem a chováním užívá dodnes. Badatelé pečlivě zkoumají chování lidí s příznaky mozkového poškození v době, kdy tito lidé žijí. Chování postižených se zaznamenává co nejpečlivěji. Jakmile pacient zemře, hledá lékař v jeho mozku léze (oblasti, v nichž je tkáň poškozená např. úrazem nebo chorobou). Badatel z toho usuzuje, že poškozené místo mohlo mít vztah ke změně pacientova chování.

Vědci mohou tímto způsobem určit vztah mezi pozorovaným druhem pacientova chování a anomáliemi v určitém místě mozku. Jedním z prvních příkladů je proslulý pacient Paula Brocy (1824-1880), jenž je znám pod označením Tan (byla to jediná slabika, kterou dokázal vyslovit). Tan trpěl těžkým poškozením řeči, které bylo vztaženo k oblasti v čelním laloku mozku, jíž se dnes říká Brocova oblast. Má se za to, že odpovídá za určité funkce při tvorbě řeči. V novější době vedlo neuropatologické vyšetřování mozku obětí Alzheimerovy nemoci (choroby způsobující zničující ztrátu paměti, viz kap. 5) k určení některých částí mozku, jejichž činnost odpovídá za paměť (např. hipokampu, popisujeme jej v následné části knihy), a také ke zjištění některých mikroskopických odchylek, které vývoj této nemoci doprovázejí (např. charakteristických neuronálních klubek). Je pravda, že ložisková poškození mozku jsou zdrojem základního pochopení vztahu mozku a chování. Jejich omezením je skutečnost, že nemohou být zkoumány v živém mozku (u lidí), takže z nich neplyne pochopení specifičtějších fyziologických procesů v mozku. Pro tento druh informace jsou zapotřebí techniky in vivo, z nichž některé dále popíšeme.

#Pokusy na zvířatech

Vědci chtějí také pochopit fyziologické procesy a funkce živého mozku. Ke zkoumání proměn činnosti živého mozku je nutný výzkum in vivo. Mnohé pokusy byly v raných dobách výzkumu prováděny výlučně na zvířatech. Například výzkum zrakového vnímání oceněný Nobelovou cenou (tj. Hubel a Wiesel, 1963, 1968, 1979) byl založen na vyšetřování elektrické činnosti jednotlivých neuronů ve vymezených oblastech mozku živých zvířat (viz kap. 4).

Při tomto druhu výzkumu se do mozku zvířat, obvykle opic nebo koček, zavádějí mikroelektrody. Jejich prostřednictvím lze získat záznam činnosti jednotlivých neuronů, jenž odpovídá určitému druhu podnětů, např. zrakově předváděných čárek. Jiný druh pokusů na zvířatech užívá chirurgické odnětí nebo poškození nějaké části mozku, poté se sledují funkční poruchy. Je zřejmé, že tyto postupy nelze aplikovat na lidech. Zaznamenat činnost všech neuronů současně však také není možné. Z toho plyne, že zobecnění založená na těchto metodách jsou možná jen do jisté míry. Vědci vyvinuli řadu méně invazivních metod, které se dají užít i u lidí. Popíšeme je v další části.

#Záznam elektrické činnosti mozku

Výzkumní pracovníci, stejně jako lidé praxe (např. psychologové a lékaři), často zaznamenávají elektrickou činnost mozku v podobě vln, které mají různou šířku (frekvenci) a výšku (amplitudu). Frekvence a amplituda záznamu elektrické činnosti mozku jsou patrné na elektroencefalogramu (EEG). Lze jej snímat relativně dlouhou dobu a přitom zkoumat elektrickou činnost mozku oznamující proměny mentálních stavů, např. hluboký spánek nebo snění. Záznam EEG se získává umístěním elektrod na různá místa povrchu vlasaté části hlavy. Přístroj snímá elektrickou aktivitu částí mozku pod elektrodami. Metoda špatně rozlišuje prostorově, zato je vysoce citlivá vůči proměnám činnosti mozku v čase. Kupříkladu záznam EEG získaný v průběhu spánku prozrazuje proměny činnosti elektrické aktivity celého mozku. Záznam této činnosti v průběhu snů se odlišuje od záznamu činnosti v průběhu hlubokého spánku.

Chceme-li uvést elektrickou aktivitu mozku do vztahu k nějaké jednotlivé události nebo úloze (např. k pohledu na světelný záblesk nebo k naslouchání větám), lze vytvořit „průměr“ záznamu EEG z velkého počtu takových pokusů (např. 100). Tím se získají ERP (event-related potentials) - evokované, případně „kognitivní“ potenciály. Tyto potenciály dobře informují o časovém průběhu aktivity mozku, která má vazbu k nějaké úloze. Činnost mozku, jež k ní vazbu nemá, byla tímto postupem „zprůměrována“. Výsledný tvar záznamu vykazuje charakteristické hroty, které mají vztah k časovému průběhu elektrické činnosti mozku. O místě této aktivity však informují jen velmi obecně. Elektrody umístěné na povrchu vlasaté části hlavy umožňují jen malé prostorové rozlišování. Evokované potenciály byly užity v řadě studií, včetně zkoumání inteligence (např. Caryl, 1994). Tyto práce se pokoušely uvést do vztahu jednotlivé vlastnosti ERP. Vysoká míra časového rozlišování této metody se dá užít jako doplněk dalších technik, které tak dobrou časovou rozlišovací schopnost nemají, zato lépe rozlišují v prostoru. Například Posner a Raichle (1994) k vymezení oblastí činných při slovních asociacích užili jak ERP, tak pozitronovou emisní tomografii, kterou popíšeme níže. Metoda ERP prokázala, že při vytváření rychlých slovních asociací aktivují účastníci pokusu vymezené oblasti mozku, a to kůru zevní plochy levého čelního laloku, kůru zadních částí levé mozkové hemisféry a kůru pravé inzuly. Stejně jako kterákoli další technika poskytují ERP a EEG jen velmi omezený pohled na činnost mozku. Nejvyšší přínos při zkoumání částí mozku podílejících se na poznávání poskytuje jejich společné užití s dalšími technikami.

#Statické zobrazovací metody

Psychologové rovněž užívají rozmanité techniky umožňující statické zobrazení mozkových struktur (obr. 2.7). Do tohoto rámce spadá angiografie, výpočetní tomografie (CT) a magnetická rezonance (MR). Techniky založené na využití rentgenového záření (angiografie a CT) umožňují vyšetřování rozsáhlých mozkových abnormalit, které jsou důsledkem cévních mozkových příhod nebo nádorů. Jejich rozlišovací schopnost je však omezená a o malých poškozeních a odchylkách příliš mnoho informací přinést nedokážou.

Pro kognitivní psychology je pravděpodobně nejzajímavější magnetická rezonance (MR), jejíž rozlišovací schopnost je relativně velká, takže usnadňuje poznávání mozkového poškození u živých lidí, mj. lézí, které mají vztah k jednotlivým poruchám jazyka. Magnetická rezonance je založena na umístění pacientova mozku v silném magnetickém poli. Rotující snímače při tom zachytávají elektromagnetické změny molekul, které jsou v mozku. Zachycené molekulární změny analyzuje počítač, jenž vytvoří trojrozměrný obraz mozku, jehož součástí jsou podrobné informace o jeho jednotlivých částech. Tato technika je relativně nákladná a nepřináší mnoho informací o fyziologických procesech. Dvě další techniky s poměrně dobrým rozlišováním v čase i prostoru, které umožňují zkoumat fyziologické procesy u lidí, probereme v následující části.

@Obr. 2.7 (Obr. 2.7): Zobrazovací metody

Pro zobrazení mozkových struktur a někdy i procesů byla vyvinuta řada technik: a) mozkový angiogram znázorňuje mozkové cévy; b) počítačová tomografie užívá pro trojrozměrné zobrazení mozku rotující zdroje rentgenového záření, vytvářející postupně snímky v řezu (na obrázku je jen jeden); c) jednotlivé řezy získané pomocí magnetické rezonance (na obrázku je jen jeden) ukazují zřetelnější obrázek než počítačová tomografie; d) tyto statické fotografie PET ukazují různé metabolické procesy v průběhu rozličných druhů činnosti. PET dovoluje studovat fyziologii mozku.@@

#Metabolické zobrazování

Zobrazovací techniky, které probíráme v této části, byly nazvány metabolické. Jejich principem je zvýšená spotřeba kyslíku nebo glukózy v těch částech mozku, jež jsou aktivní. Základní představa, na které jsou založeny, má za to, že aktivní části mozku spotřebovávají více kyslíku nebo glukózy než části, které aktivní nejsou. Zároveň se předpokládá, že je-li určitá část mozku nutná pro řešení nějaké úlohy, pak je její aktivita vyšší, než je její aktivita v průběhu obecnějšího zpracovávání informací. Vědci se snaží najít oblasti mozku specializované pro řešení vymezených úkolů užitím subtrakční metody: aktivita doprovázející „klid“ nebo nějakou jinou úlohu se odečítá od aktivity doprovázející daný úkol. Výsledná aktivita se poté statisticky analyzuje, což vymezí oblasti odpovídající za výkon nějakého úkolu, který přesahuje obecnou, „klidovou“ aktivitu. Chce-li například experimentátor určit oblast mozku, která je nejdůležitější pro pochopení významu slov, odečte od aktivity mozkových oblastí doprovázejících tuto úlohu aktivitu, která doprovází rozlišování jednotlivých písmen. Velmi důležité je mít při vyhodnocování výsledků těchto technik na mysli, že vědci nejsou s to rozlišit, zda je výsledná, „čistá“ aktivita excitační, nebo inhibiční, neboť činnost některých neuronů je inhibována vlivem nervových přenašečů uvolňovaných jinými neurony. Subtrakční technika tedy určuje „čistou“ míru aktivity vymezené oblasti mozku - neurčuje, zda tato oblast excituje, nebo inhibuje. Nadto metoda předpokládá, že je aktivace věcí prostého „sčítání“ (je aditivní), takže ji lze určit subtrakční metodou. Tento popis subtrakční metodu velmi zjednodušuje. V obecné rovině však ukazuje, jak vědci určují fyziologickou aktivitu jednotlivých částí mozku při užití metody, která je popsána níže.

Pozitronová emisní tomografie (PET) je založena na zvýšení spotřeby glukózy aktivními oblastmi mozku v průběhu zpracovávání nějakých informací. Využití glukózy se u vyšetřovaných sleduje podáním její slabě radioaktivní podoby (je metabolizována a vyzařuje pozitrony). Současně je radioaktivita snímána příslušnými detektory. Počítač na základě získaných dat zobrazí fyziologickou funkci mozku v akci. PET byla např. využita ke zobrazování růstu krevního průtoku týlními laloky mozku v průběhu zpracovávání zrakových informací (Posner, Petersen, Fox a Raichle, 1988). Tato metoda byla rovněž užita k porovnání činnosti mozku lidí s vysokým a nízkým skórem testů inteligence. Zdá se, že mozky lidí s vysokým skórem využívají glukózu efektivněji a ve zřetelně vymezených oblastech mozku, jejichž činnost má vztah k řešení dané úlohy, zatímco mozky lidí s nízkým skórem využívají glukózu méně efektivně, difuzněji, v rozsáhlých oblastech mozku (Haier, Siegel, Tang, Abel a Buchsbaum, 1992, viz kap. 14).

Poslední technika, funkční magnetická rezonance (fMR), vychází z MR (popsané výše). Činnost mozku zobrazuje na základě jeho spotřeby kyslíku. Základní myšlenka fMR je stejná jako v případě PET, fMR však nevyžaduje užití radioaktivních látek. Vyšetřovaný jedinec je umístěn do přístroje a začne řešit nějakou úlohu. Stroj vytvoří magnetické pole, které ovlivní atomy kyslíku vázané na krevní barvivo. Aktivnějšími částmi mozku protéká větší množství okysličené krve než částmi méně aktivními. Rozdíly v jejich spotřebě kyslíku jsou základem měření fMR (extrakce kyslíku aktivními částmi mozku je s ohledem na vyšší míru průtoku relativně nižší, než je tomu u částí méně aktivních). Na tomto základě počítač dodá v současnosti nejpřesnější dosažitelné informace o fyziologickém fungování mozku v průběhu řešení jednotlivých úloh. FMR je nejen méně invazivní než PET, také lépe rozlišuje v čase. Lze změřit aktivity trvající zlomky sekund, nikoli jen činnost, která trvá minuty až hodiny. Hlavní obtíží je, že jde o zcela novou metodu, která je nákladná. Donedávna mělo jen málo badatelů příslušné přístrojové vybavení. Testování vyšetřovaných je časově velmi náročné. Na obrázku 2.8 je porovnání časového a prostorového rozlišování rozličných metod zobrazujících mozek.

Pozn. překl.: S ohledem na výbušně rychlý vývoj metody se tato situace prudce změnila. První přístroje fMR jsou už také v České republice. Technická novinka umožňuje adaptovat standardní přístroje MR, které jsou v našich velkých nemocnicích již běžnou součástí výbavy, na fMR. Metoda se tím stává podstatně levnější než PET.

@Obr. 2.8 (Obr. 2.7): Užívané techniky

Mozek se dá prohlížet v různých úrovních prostorového rozlišení, počínaje molekulární až po mozek jako celek. Současně si můžeme představovat vědomí jako soubory událostí v časovém rozmezí několika milisekund - to je doba, kterou potřebuje jeden neuron ke komunikaci s dalším neuronem - až po dobu celého života. V průběhu dvou minulých desetiletí vyvinuli vědci řadu technik analyzujících vztah mezi mozkem a vědomím. Obrázek graficky shrnuje potenciální přínos, který mají pro pochopení tohoto vztahu jednotlivé techniky. Velikost jednotlivých mozkových struktur je v logaritmickém měřítku na horizontální ose, časový průběh procesů vědomí je na vertikální ose. Jednotlivé techniky jsou rozmístěny na základě časové a prostorové rozlišovací schopnosti (současné parametry, metody jsou v prudkém vývoji - pozn. překl.). V levém obrázku jsou všechny současné techniky - výpočetní tomografie, MR, PET, EEG, evokované potenciály (ERP), elektrokortikografie (ECo, což jsou EEG záznamy snímané z povrchu mozku v průběhu neurochirugického výkonu) a elektronová mikroskopie (EM). V pravém obrázku jsou jen techniky, které lze užít u živých lidí. Je jasné, že zkoumání vztahu mozku a vědomí závisí na zobrazovacích technikách, jako je MR, PET a CT, ve vztahu s elektrofyziologickými metodami - naše konečné pochopení tohoto vztahu však bude vyžadovat integraci informace ze všech rovin zkoumání. Zdroj: M. I. Posner, M. E. Raichle (1994). Images of the mind. New York, Freeman.@@

Povšimněme si, že mimořádný pokrok v možnosti spatřit fyziologické struktury a procesy mozku zatím ještě nevedl k jednoznačnému přiřazení („mapování“) jednotlivých funkcí určitým mozkovým strukturám, oblastem, nebo dokonce procesům. Spíše jsme zjistili, že vymezené mozkové struktury, regiony nebo procesy mají vztah k jednotlivým poznávacím funkcím. Naše současné pochopení otázky, jaká je vazba určitých kognitivních funkcí k jednotlivým mozkovým strukturám nebo procesům, dovoluje pouze usuzovat na jisté druhy sugestivních indicií, že jisté vztahy mezi nimi existují. Sofistikovaná analýza umožňuje soudit na tyto vztahy s rostoucí přesností, nicméně v bodě, kde bychom byli s to určit kauzální vztah mezi danou mozkovou strukturou nebo procesem na straně jedné a kognitivní funkcí na straně druhé, ještě nejsme. Jednotlivé funkce totiž mohou být ovlivňovány velkým počtem mozkových struktur, oblastí nebo procesů. Uvedené techniky přinášejí nejlepší informace pouze ve spolupráci s dalšími pokusnými technikami nutnými pro pochopení složitosti kognitivních funkcí.

@Obr. 2.9 (Obr. 2.9): Pohled na lidský mozek

Jak vlastně mozek vypadá? Na obrázcích je pohled na mozek ze strany a shora. Následující obrázky a schémata (tj. zjednodušené diagramy) ukazují některé základní mozkové struktury podrobněji. (Foto Arnošt Štědrý.)@@

Pozn. překl.: Autor neuvádí řadu dalších metod, např. magnetickou rezonanční spektroskopii, umožňující mj. zkoumat rozložení některých prvků v mozkové tkáni, magnetoencefalografii, studující distribuci magnetické činnosti mozku, transkraniální magnetickou stimulaci, umožňující studovat důsledky krátkodobých „lézí“. Tyto metody podstatně rozšiřují výše uvedené spektrum možností a zpřesňují „mapování“ neboli korelaci funkce, struktury a chování.