Techniki badań neuronaukowych

Jak możemy dowiedzieć się o funkcjonowaniu układu nerwowego? Istnieją różne sposoby eksploracji mózgu. W tym artykule porozmawiamy o najważniejszych instrumentach w tej dziedzinie neuronauki.

Napisane i zweryfikowane przez psycholog Francisco Roballo.

Ostatnia aktualizacja: 27 grudnia, 2022

Techniki badań neuronaukowych są niezwykle ważne. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy weźmie się pod uwagę, czego oczekuje się w nadchodzących latach od tej konkretnej dziedziny nauki. Właściwie to jeszcze niedawno techniki neuroobrazowania były tylko marzeniem. Oznaczało to, że pewne teorie dotyczące układu nerwowego były niemożliwe do ustalenia.

W 1988 roku hiszpański lekarz Santiago Ramon y Cajal opisał morfologię neuronów za pomocą złożonego systemu barwienia. Od tego czasu w neurobiologii zrobiono kilka kroków milowych. Na przykład były nimi odkrycie elektroencefalogramu (EEG) i klasyfikacja biologicznych rytmów mózgu.

Narzędzia badawcze w neuronauce

Narzędzia badawcze neuronauki pozwalają naukowcom badać układ nerwowy. Tak zwane techniki neuroobrazowania są wykorzystywane zarówno do celów klinicznych, jak i akademickich. Narzędzia te umożliwiają podejście do układu nerwowego na cztery różne sposoby:

• Funkcjonalny. Opisuje funkcje układu nerwowego. Czyni to poprzez natężenie przepływu lub stopień aktywacji różnych stref.
• Strukturalny. Dostarcza informacji anatomicznych o mózgu lub innych strukturach układu nerwowego.
• Elektryczny. Dostarcza informacji o aktywności elektrycznej układu nerwowego.
• Stymulacja. Nieinwazyjna stymulacja mózgu.

Techniki badań neuronaukowych – neuroobrazowanie strukturalne w badaniach neurologicznych

Wśród technik strukturalnych wyspecjalizowanych w dostarczaniu informacji anatomicznych najbardziej podstawową i szeroko stosowaną jest radiografia. Technika ta polega na emisji promieni rentgenowskich. W zależności od gęstości tkanki, na kliszę fotograficzną rzutowany jest inny obraz. Istnieją dwa rodzaje promieni rentgenowskich:

• Konwencjonalna radiografia. Jest używana tylko do zdjęć rentgenowskich. Ponadto jest powszechnie stosowana do uzyskiwania informacji o kościach otaczających układ nerwowy – na przykład w przypadku złamań.
• Radiografia kontrastowa. Jest również używana z promieniami rentgenowskimi, ale wymaga wprowadzenia cewnika przez tętnicę udową. Hipergęsty kontrast umożliwia wykrycie zmian naczyniowych.

Komputerowa tomografia osiowa

To dobrze rozpoznawalny skaner w kształcie tuby. Wykorzystuje emisję promieni rentgenowskich z różnych kierunków, zapewniając w ten sposób pełniejszy obraz. Jest to szybka i tania technika, która wykrywa guzy, tętniaki i krwotoki. Z drugiej strony jednak, promieniowanie nie jest korzystne dla organizmu. Co więcej, definicja nie jest tak wysoka, jak w przypadku innych technik.

Rezonans magnetyczny

Ta technika badawcza wychwytuje obrazy wnętrza ciała w podwyższonej rozdzielczości i w bezpieczny sposób. Należy jednak zachować ostrożność, ponieważ jest niekompatybilna z wszelkiego rodzaju metalowymi implantami w ciele. Opiera się na zjawisku magnetycznego rezonansu jądrowego. Maszyna rejestruje sygnały o częstotliwości radiowej emitowane przez atomy wodoru, wcześniej poddane działaniu pola magnetycznego.

Atomy wodoru są obecne w ciele w dużych ilościach. Z tego powodu rezonans magnetyczny jest techniką o wysokiej rozdzielczości. Co więcej, nie ma szkodliwych skutków i nie wykorzystuje promieniowania. Z drugiej strony jest niezwykle drogi.

Traktografia

Jest to narzędzie, które wykorzystuje rezonans magnetyczny do oceny obszarów istoty białej. Składają się one głównie z wody i są odpowiedzialne za dostarczanie informacji nerwowych z dużą prędkością. Nazywają się mielinowanymi aksonami. Technika jest w stanie ocenić podkorową strukturę mózgu, umożliwiając wykrycie chorób neurodegeneracyjnych i epilepsji.

Techniki neuroobrazowania funkcjonalnego w badaniach neurologicznych

Są to narzędzia badań w neuronaukach. Wykrywają zmiany w aktywności żywego mózgu. Eksperci mają tendencję do wykorzystywania tych metod do oceny procesów poznawczych w połączeniu z funkcjonowaniem ich anatomicznych korelatów.

Pozytonowa tomografia emisyjna (PET)

Technika ta opiera się na wprowadzaniu do krwiobiegu substancji radioaktywnych. Komórki o wysokiej aktywności metabolicznej wchłaniają te substancje. W tym procesie izotopy emitujące pozytony znikają, gdy łączą się z elektronami, wytwarzając energię elektromagnetyczną, która jest wychwytywana przez urządzenie.

PET jest szeroko stosowaną techniką wykrywania guzów mózgu, ponieważ mają one wyższy metabolizm. Służy również do wykrywania chorób neurodegeneracyjnych. Na przykład w przypadku choroby Alzheimera degeneracja komórek nie spowoduje wchłonięcia tak dużej ilości substancji. W związku z tym obraz będzie różnił się od obrazu normalnego mózgu.

Emisyjna tomografia komputerowa pojedynczego fotonu

To technika nagrywania podobna do poprzedniej. Wykorzystuje jednak promieniowanie gamma, wytwarzane przez izotop bezpośrednio z organizmu. Ponadto wymaga receptora, za pomocą którego zostanie wygenerowany obraz. Podkreśla kolorami różne stopnie aktywacji mózgu.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny

Jest to rezonans magnetyczny, w którym jednocześnie przeprowadzana jest pewna aktywność poznawcza. Opiera się na fakcie, że neurony zaangażowane w proces umysłowy będą potrzebowały więcej energii, a tym samym więcej tlenu z krwi. Kiedy wykonujemy zadania umysłowe, zwiększa się nasze zużycie natlenionej krwi (która ma właściwości magnetyczne). Ta aktywność jest rejestrowana przez urządzenie. Pomimo wysokich kosztów umożliwia lokalizację funkcji poznawczych w mózgu.

Techniki elektrofizjologiczne

Techniki te pozwalają na rejestrację aktywności elektrycznej mózgu. Na przykład:

• Elektroencefalogram. Mierzy moc elektryczną mózgu. Ponadto mierzy również rodzaj fali i częstotliwość, w jakiej działa.
• Elektromiogram. Ocenia aktywność elektryczną mięśni. Służy do badania nerwów obwodowych.
• Elektrookulogram. Mierzy zapis elektryczny mięśni oczu i faz snu.

Techniki stymulacji mózgowej

Techniki te pozwalają na wpływanie na aktywność mózgu przez dwa rodzaje bodźców:

• Magnetyczny. Dzięki przezczaszkowej stymulacji magnetycznej prąd jest bezpiecznie indukowany w mózgu. Ta indukcja jest osiągana przez przepływ prądu, który przechodzi przez cewkę i generuje pole magnetyczne.
• Elektryczny. Wykorzystuje prąd o niskim natężeniu, przesyłany za pomocą elektrod na skórze głowy. W rezultacie indukcja powoduje zmiany w pobudliwości neuronów kory.

Te formy stymulacji zwykle docierają tylko do obszarów kory. Są używane głównie do identyfikacji procesów umysłowych, a także do tworzenia wirtualnych obrażeń. Ich zastosowanie do poprawy wydajności lub leczenia zaburzeń, takich jak fobie, jest nadal badane. Ponadto nie można ich stosować u osób z padaczką, implantami lub kobietami w ciąży.

Znaczenie neuronaukowych technik badawczych

Choroby wpływające na układ nerwowy mogą mieć poważne konsekwencje. Dlatego szybkie wykrycie guza lub krwotoku ma ogromne znaczenie dla zwiększenia szans pacjenta na przeżycie. Jednocześnie wykrycie choroby neurodegeneracyjnej w jej pierwszych fazach ma kluczowe znaczenie dla opóźnienia jej objawów.

Ponadto postęp naukowy pozwolił naukowcom zagłębić się w funkcje mózgu. Na przykład obecnie można porównać mózg osoby z depresją z mózgiem osoby normalnej i zobaczyć różnice funkcjonalne związane z objawami. W ten sam sposób mogą identyfikować obszary mózgu i procesy odpowiadające określonej funkcji, takiej jak uwaga.