NEUROVĚDNÍ PŘÍSTUPY K HODNOCENÍ FUNKCE MOZKU

                         

 

NEUROVĚDNÍ PŘÍSTUPY K HODNOCENÍ FUNKCE MOZKU  doc. Ing. Jan Kremláček, Ph.D. 

     

studijní materiál ke kurzu  Vybrané problémy kognitivní vědy 

                                       

Fakulta informatiky a managementu Univerzity Hradec Králové 

Projekt Informační, kognitivní a interdisciplinární podpora výzkumu je spolufinancován  Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.  

NEUROVĚDNÍ PŘÍSTUPY K HODNOCENÍ FUNKCE MOZKU  NEUROSCIENTIFIC APPROACH TO BRAIN FUNCTION ASSESMENT  Jan Kremláček 

Abstrakt  Neurobiologická  aktivita  představuje  rozsáhlou  oblast  časoprostorových  dějů,  pro  jejichž  objektivní  studium  se  využívá  mnoho  postupů.  V příspěvku  je  prezentován  přehled,  principy  a  časoprostorové  vlastnosti  nejpoužívanějších  metod  studia  mozkových  funkcí/mysli.  Podrobněji  je  přiblížena  široce  využívaná  technika  funkčního  zobrazení  pomocí  magnetické  rezonance  a  dostupná  neinvazivní  elektroencefalografická  technika  společně  s metodou  detekce  korových  potenciálů  vázaných  na  události.  Mezi  intervenčními  metodami  je  zmíněna  transkraniální  magnetické  stimulace,  hluboká  mozková  stimulace  a  nově  se  prosazující  optogenetická  technika.  V závěru  je  diskutována  frekvence  využití  a  limitace  jednotlivých metod.  Klíčová slova  funkční  vyšetření  mozku,  elektroencefalografie,  funkční  zobrazení  pomocí  magnetické  rezonance,  transkraniální  magnetická  stimulace,  hluboká  mozková  stimulace, optogenetika.  Abstract  An  objective  exploration  of  neurobiological  activity  represents  a  wide  application  area  covered  by  numerous  approaches. An  overview,  presented  in  this contribution,  focus  to  principles  and  spatio­temporal  properties  of  the  most  used  methods  in  brain/mind studies. A closer look is provided in widely used non­invasive techniques  of the functional Magnetic Resonance Imaging, the electroencephalography and the  event  related  cortical  potentials.  Transcranial  Magnetic  Stimulation,  Deep  Brain  stimulation  and  modern  Optogenetics  technique  are  mentioned  as  an  interfering  approach  to  a  neural  activity.  A  frequency  of  usage  together  with  methods’  limitations are discussed in the end.  Keywords  Examination  of  brain  functions,  Electroencephalography,  functional  Magnetic  Resonance  Imaging,  Transcranial  Magnetic  Stimulation,  Deep  Brain  Stimulation,  Optogenetics. 

1 

1.  Úvod  Neurovědní  obory  jako  neurofyziologie,  neuropsychologie  nebo  neurokognice  zkoumají  stavbu  a  funkce  mozku  ve  vztahu  k  chování  organismu.  Pro  objektivní  studium  neurobiologických  dějů  využívají  sledování  či  ovlivnění  elektrochemických pochodů souvisejících s neurální činností. Tyto děje jsou v čase  rozprostřeny od desítek milisekund (například detekce senzorického podnětu) po  několik  hodin  až  dnů  (například  učení).  Prostorově  se  jedná  o  aktivitu  na  úrovni  jednotlivých neuronů, jejich populací nebo celého mozku. Takto vymezená časově  prostorová  dynamika  nervového  systému  je  natolik  rozsáhlá,  že  žádná  z  dostupných metod funkčního vyšetření ji plně neobsáhne, a proto je volba vhodné  metody  pro  nalezení  odpovědi  na  hledanou  otázku  klíčová  a  často  je  nutné  pro  dosažení cíle jednotlivé metody kombinovat.   Seminář  je  svým  rozsahem  a  zaměřením  určen  pro  základní  orientaci  mezi  jednotlivými  metodami  vyšetření  funkcí  mozku  s  důrazem  na  princip  a aplikace  techniky  evokovaných  potenciálů  a  funkčního  zobrazení  magnetickou  rezonancí,  které patří mezi nejrozšířenější postupy sledování korelátů neurální činnosti. Jako  zástupce  intervenčních  metod  bude  představena  transkraniální  magnetické  stimulace, jež dosáhla značného rozšíření v minulých desetiletích díky minimálně  invazivnímu  charakteru  a  možnosti  vyšetřovat  zdravé  dobrovolníky.  Z dalších  bude zmíněna hluboká mozková stimulace, která se rozšířila v humánní medicíně  pro úspěšné terapeutické výsledky  např.  u  pacientů  s Parkinsonovou  chorobou,  a  v současné době se rozvíjející revoluční optogenetický přístup k ovlivnění činnosti  mozku.  2.  Neurobiologické děje  Živý  mozek  je  v čase  neustále  činná  dynamická  soustava,  jejíž  aktivitu  můžeme  sledovat  od  molekulárně‐buněčné  úrovně.  Základní  signální  funkce  neuronů  jsou  realizovány  tokem  iontů  (Na+,  K+,  Cl‐  a  Ca2+)  přes  neurální  membránu  nebo  změnami  koncentrací  neurotransmiterů  v buněčném  i  mimobuněčném  prostoru  v rámci neurální komunikace, která se odehrává s časovým rozlišením od jednotek  milisekund[7].  Tyto  energeticky  náročné  děje  jsou  doprovázeny  rozsáhlou  metabolickou  činností  v  neuronech  i  podpůrných  nesignálních  buňkách.  Změny  spotřeby zejména kyslíku a glukózy vedou ke změnám v cévním zásobování, které  má  vlastní  regulační  mechanismy  s časovým  rozlišením  jednotek  sekund.  Sledování  dějů  na  intravaskulární  úrovni  v mozku  tak  umožňuje  usuzovat  na  povahu neurální činnosti. Sledování metabolických dějů je založeno na chemických  změnách v mozkové tkáni a obvykle poskytuje lepší prostorové rozlišení, ale vztah  metabolických  změn  k neurálním  (neurovascular  coupling)  není  jednoznačný  a obsahuje řadu nelinearit [2].  3.  Metody   Všechny  dále  uvedené  metody  měří  fyzikálně/chemické  veličiny  doprovázející  nebo  reflektující  neurobiologické  děje  v  mozku,  nebo  prostřednictvím  fyzikálně/chemických intervencí tyto děje ovlivňují. Pro studium mozku a chování  mohou  být  využity  i  jiné  metody  například  psychofyzikální,  které  vyhodnocují 

2 

subjektivní  reakce  vyšetřovaného  v experimentu.  Psychofyzikální  metody  nejsou  předmětem tohoto sdělení.  Při volbě metody vycházíme zejména z  dostupnosti vyšetření a jeho ceny. Dalším  velmi důležitým kritériem pro výběr je citlivost metody vzhledem k očekávanému  efektu  experimentu  a  to  jak  v  časové  tak  v  prostorové  doméně.  Jako  nutnou  součást  rozvahy  musíme  reflektovat,  jakou  zátěž  přinese  vyšetření  pro  pacienta/pokusnou osobu. Pokud mluvíme o neinvazivním charakteru, je třeba mít  na  mysli,  že  v medicínské  terminologii  je  tím  myšleno  vyšetření,  při  kterém  nedojde k porušení kůže nebo kontaktu se sliznicí. To splňuje řada metod, přestože  představují zátěž například radiačním zářením.  3.1. Funkční zobrazení magnetickou rezonancí   V současnosti  nejrozšířenější  neinvazivní  metodou  pro  vyšetření  živého  mozku  s minimální zátěží pro vyšetřovaného je funkční zobrazení magnetickou rezonancí  (fMRI  –  functional  Magnetic  Resonance  Imaging).  fMRI  registruje  změny  MRI  signálu  vztažené  k metabolismu  a  zásobení  neurálních  oblastí  kyslíkem.  Signál  reflektující  neurovaskulární  vazbu  se  nazývá  BOLD  (Blood  Oxygen  Level  Dependent) a odpovídá poměru množství hemoglobinu s navázaným a uvolněným  kyslíkem. BOLD signál nabývá hodnot jednotek procent z naměřeného MRI signálu  a  pro  lokalizaci  metabolicky  aktivních  oblastí  mozku  v souvislosti  s  řešením  zkoumané úlohy jsou využívány statistické metody.   Vyšetření  fMRI  nejčastěji  využívá  blokového  schématu,  kdy  se  v experimentu  opakují úseky se dvěma nebo vícero úlohami a při vyhodnocení se hledají rozdíly  změn v prokrvení mozku mezi úlohami.  fMRI  disponuje  dobrým  prostorovým  rozlišením,  které  umožňuje  lokalizovat  ve speciálních  případech  i  aktivitu  jednotlivých  kortikálních  sloupců  okulární  dominance  o  velikosti  0,5  mm  [5],  nebo  podkorových  oblastí  jako  jsou  bazální  ganglia.  Časové  rozlišení  fMRI  je  vázáno  na  změny  v metabolické  aktivitě  a  není  vhodné pro sledování rychlých neurálních dějů. Cena za vyšetření je řádově vyšší,  než u elektroencefalografie.  BOLD signál má ještě nižší úroveň užitečné složky oproti základní aktivitě (šumu)  než  elektrofyziologické  metody  (viz  další  podkapitola),  a  proto  se  častěji  využívá  ve  skupinových studiích. V individuálních diagnostických aplikacích se i z důvodů  vysokých nákladů používá pouze výjimečně. Pro zvýšení senzitivity fMRI lze využít  kontrastních  substancí  založených  na  magneticky  aktivních  látkách  (například  oxidy železa), což však zvyšuje zátěž pacienta. Pro fMRI vyšetření je třeba vybírat  osoby,  které  nemají  obavu  z uzavřeného  prostoru  a  současně  je  neohrozí  silné  magnetické pole.  Omezená detekce rychlých dějů není zapříčiněna fMRI technikou, ale je limitována  temporální charakteristikou hemodynamické reakce generující BOLD signál. Proto  vznikají  pokusy  o  registraci  signálu  kvalitativně  jiného  fenoménu,  například  difuzní  distribuce  vody.  Omezené  časové  rozlišení  fMRI  lze  kompenzovat  kombinací  se  elektrofyziologickým  záznamem  mozkové  aktivity.  Toto  řešení  se  objevuje  stále  častěji,  přestože  je  náročné  na  eliminaci  artefaktů  které  spojení 

3 

těchto  dvou  metod  přináší.  Silné  magnetické  pole,  prostředí  úzkého  uzavřeného  prostoru,  hluk  MRI  zařízení  i  strnulá  poloha  vyšetřovaného  také  omezují  rozsah  možných experimentů, které lze pomocí fMRI uskutečnit.  Metodické detaily i podrobný popis principu fMRI sepsal například Jezzard [6].  3.2. Neinvazivní elektrofyziologie  Mezi  metody  plně  neinvazivní  a  bez  zátěže  pro  vyšetřovaného  se  řadí  elektroencefalografie  (EEG),  technika  založená  na  registraci  elektrické  aktivity  z  povrchu  hlavy  pomocí  přiložených  elektrod.  Registrovaný  potenciál  o amplitudě  jednotek  až  desítek  mikrovoltů  se  nazývá  elektroencefalogram  a  je  generován  převážně  synchronní  synaptickou  aktivitou  kortikálních  pyramidových  buněk  (hlavní složkou jsou excitační postsynaptické potenciály).  V elektroencefalogramu můžeme rozlišit různé stavy vědomí (pozornost, uvolnění,  bdělost, spánek i únavu), ale jen obtížně reakci centrálního nervového systému na  zevní podněty, protože ta je obvykle až 10x menší, než aktivita spontánní. Pro její  odhalení je třeba použít statistické metody a podnět mnohokrát opakovat. Odezva  na  zevní  podnět  izolovaná  ze  spontánní  aktivity  nejčastěji  průměrováním  se  nazývá  evokovaný  potenciál  (EP)  nebo  na  událost  vázaná  odpověď  (ERP  –  Event  Related Potentials).  Výhodou  EEG/EP/ERP  je  přímá  korelace  měřené  veličiny  s neurální  činností,  vysoká časová přesnost a nízká cena. Vlastností EP nebo ERP nejlépe využijeme při  sledování  velmi  rychlých  neurálních  dějů  (například  při  zpracování  senzorických  podnětů – od jejich detekce po řešení kognitivní úlohy). Nevýhodou této techniky  je  horší  lokalizace  (prostorové  rozlišení)  aktivních  neurálních  oblastí,  zejména  podkorových.   EEG  je  rutinně  užíváno  v klinické  diagnostice  pro  odkrývání  epileptických  záchvatů,  klasifikaci  spánkových  stádií,  sledování  efektu  léčby.  ERP/EP  jsou  vhodné  pro  hodnocení  stavu  neurálních  drah  a  odpovídajících  korových  oblastí  v souvislosti s jejich možným poškozením.   Alternativní  metodou  měřící  elektromagnetické  síly,  které  korelují  s neurální  činností, jsou magnetoencefalografie (MEG) a na událost vázaná pole (ERF – Event  Related  Field).  MEG  je  méně  rozšířená  z důvodu  vysokých  pořizovacích  a  provozních nákladů na supravodivé detektory magnetického pole.  Její výhodou je  vyšší  prostorová  přesnost,  ale  pouze  pro  zdroje,  které  jsou  uloženy  paralelně  (tangenciálně)  ke  snímačům.  Citlivost  EEG  je  naopak  lepší  v případě,  že  jsou  aktivovány  zdroje,  jejichž  elektrické  pole  lze  aproximovat  proudovými  dipóly  uloženými kolmo k povrchu (plochy gyrů kortexu).  Zevrubný  popis  elektrofyziologických  metod  je  například  v monografiích  Zanniho  [13] nebo Rugga [10].  3.3. Neinvazivní optické zobrazení  Metoda  neinvazivního  optického  zobrazení  umožňuje  měřit  jak  metabolickou  tak  neurální  aktivitu  a  to  prostřednictvím  infračerveného  nebo  blízkého  infračerveného světla. Obdobně jako fMRI je také neinvazivní, ale její nevýhodou je 

4 

malá  prostorová  rozlišovací  schopnost  a  v současnosti  i  vysoká  cena  zařízení.  Metoda  NIRS  (Near  InfraRed  Spectroscopy)  nebo  DOI  (Difuse  Optical  Imaging)  využívá  pro  měření  metabolických  dějů  různých  absorpčních  vlastností  hemoglobinu  s navázaným  nebo  uvolněným  kyslíkem  podobně  jako  fMRI,  avšak  dokáže  tyto  dvě  složky  od  sebe  odlišit.  Technika  EROS  (Event  Related  Optical  Signal)  je  založena  na  detekci  rozptylu  infračerveného  světla  způsobeného  aktivitou  neuronů  a  má  výbornou  časovou  přesnost  podobně  jako  EEG/MEG.  Její  prostorové  rozlišení  je  však  omezené.  Nejnovější  přístupy  umožňují  monitorovat  celý skalp [4].  3.4. Radioaktivní metody  Mezi  metody,  které  již  vystavují  pacienta  radioaktivní  zátěži,  přestože  nejsou  invazivní,  můžeme  zařadit  pozitronovou  emisní  tomografii  (Positron  Emission  Tomography  ­  PET)  a  cenově  dostupnější  jednofotonovou  emisní  tomografii  (SPECT  ­  Single  Photon  Emission  Computed  Tomography).  Tyto  metody  používají  radioaktivní  kontrastní  látky,  které  jsou  specifické  pro  metabolické  děje  v organismu.  Pro  PET  nejčastěji  používaný  radionuklid  je  analogem  glukózy  (18‐ fluorodeoxy‐glukóza)  a  dovoluje  lokalizovat  místa,  která  ve  zvýšené  míře  metabolizují  glukózu.  U  PET  se  oblast  metabolického  děje  odvozuje  z  detekce  fotonových párů vyzářených při anihilaci positronu a elektronu. Obě tyto metody  mají omezené schopnosti rozlišit rychlé děje, o to lépe lokalizují děje dlouhodobé.  Prostorové rozlišení je horší než u fMRI, avšak stále se zlepšuje. PET představuje  techniku  nákladnější,  ale  s většími  možnostmi  syntézy  metabolicky  specifických  radionuklidů, jež představují menší zátěž pro pacienta.  3.5. Transkraniální magnetická stimulace  Dosud  uvedené  metody  registrují  aktivitu  mozku  a  cíleně  ji  neovlivňují.  Jiným  přístupem  je  zásah  do  procesů  v  mozku  probíhajících  a  následné  pozorování  vyvolaných  změn.  Studium  lézí  je  nejstarší  a  velmi  přínosný  postup  ke  zkoumání  mozku,  avšak  jeho  invazivní  charakter  brání  výraznějšímu  nasazení  v současné  neurovědě.  V posledních  desetiletích  se  však  opět  podařilo  techniku  intervenující  do  funkce  živého  lidského  mozku  zařadit  mezi  moderní  neurovědní  metody  ve  formě neinvazivní transkraniální magnetické stimulace (TMS). Metoda využívající  magnetického  pole  umožňuje  bez  porušení  lebky  nebo  kůže  a  bez  bolestivých  vjemů dočasně změnit excitabilitu v blízké kortikální oblasti.  Princip  metody  je  založen  na  stimulaci  mozku  magnetickým  pulsem  trvajícím  několik  málo  desetin  milisekundy.  Puls  magnetického  pole  o  velikosti  jednotek  Tesla je generován na skalp přiloženou elektromagnetickou cívkou. Krátká změna  magnetického  pole  v  povrchové  vrstvě  kortexu  vyvolá  v důsledku  indukcí  elektrické pole, které způsobí depolarizaci membrán axonů vhodně křížících jeho  siločáry. Účinky na neurální tkáň jsou závislé na parametrech stimulace, zejména  na počtu a frekvenci pulsů.  TMS  je  metodou  cenově  dostupnou,  s přesným  časováním,  ale  omezeným  prostorovým  rozlišením.  Její  použití  je  užitečné  pro  vyvolání  dočasných  lézí  a  odhalení  funkcí  stimulované  oblasti.  Je  tak  možné  simulovat  onemocnění 

5 

narušením  probíhající  neurálních  pochodů  nebo  naopak  v cílové  oblasti  zvýšit  aktivitu  a  vyvolat  vjemy,  které  nejsou  přirozeným  smyslovým  drážděním  vybavitelné.  Jako  velmi  cenná  se  jeví  možnost  sledovat  funkční  spojení  mezi  různými  kortikálními  centry.  Takto  byla  například  popsána  nutnost  zpětné  aktivace zrakové senzorické oblasti pro vytvoření zrakového vjemu [8].  Klinicky  se  TMS  v diagnostických  aplikacích  využívá  k měření  kortikální  excitability a funkční integrity zejména motorických drah. Terapeuticky lze využít  modulaci kortikální excitability například u léčby deprese. Více  o  této  metodě  lze  najít například ve Wassermanově monografii [12].  Alternativou  k TMS  je  využít  pro  stimulaci  například  energii  ultrazvuku,  stejnosměrného elektrického proudu nebo chladu, tyto techniky nejsou v této době  pro mozkovou stimulaci obecně rozšířené.  3.6. Invazivní přístupy  Dosud  byly  představeny  nejpoužívanější  neinvazivní  objektivní  metody,  zkoumající  přímo  nebo  zprostředkovaně  neurální  činnost.  Existuje  celá  řada  invazivních přístupů používaných na pokusných zvířatech, jako například záznam  aktivity  jednotlivých  neuronů  pomocí  elektrod  zanořených  do  mozku  („Single  Unit“  studie)  nebo  snímajících  elektrickou,  či  optickou  aktivitu  z povrchových  vrstev  kortexu  (kortikální  EEG,  DOI).  Možné  je  také  studovat  vlastnosti  jednotlivých  neuronů  nebo  jejich  membrán  in  vitro  (například  technikou  terčíkového  zámku  „Patch  Clamp“).  Mezi  nový  přístup  v sledování  nebo  ovlivňování  neurální  tkáně  patří  metoda  optogenetická,  která  využívá  genetické  manipulace a je jí věnována následující podkapitola.    Tyto invazivní techniky nejsou z etických důvodů přípustné pro  studium lidského  mozku.  Lze  však  využít  údajů,  které  jsou  zaznamenány  v souvislosti  s léčbou  některých  onemocnění.  Například  při  hledání  epileptického  ložiska  pro  neurochirurgický zákrok se užívá i několikadenního záznamu kortikálního EEG.  Technologický pokrok v humánní medicíně umožňuje stále častěji  použít hluboké  mozkové  stimulace  (Deep  Brain  Stimulation)  pro  léčbu  lékově  rezistentních  onemocnění  jako  Parkinsonova  choroba,  deprese  nebo  Tourettův  syndrom.  V průběhu  neurochirurgického  výkonu  provázejícího  aplikaci  zanořených  stimulačních  elektrod  je  pacient  při  vědomí  a  lze  zaznamenat  reakce  jeho  podkorových  center.  Obecně  však  platí,  že  tyto  metody  jsou  pro  většinu  experimentů nedostupné.  3.7. Optogenetická stimulace  Hluboká  mozková  stimulace,  tak  jak  byla  představena,  užívá  k  aktivaci  neuronů  elektrického  proudu,  který  spouští  neurální  aktivitu.  Elektrická  stimulace  je  však  nespecifická  a  v okolí  stimulační  elektrody  dráždí  neurony  bez  rozdílu.  Možnost  selektivně  stimulovat  pouze  vybrané  neurony  poskytuje  právě  optogenetika.  Prostřednictvím virových vektorů (např. adenovir, lentivir) lze zanést do neuronu  genetickou  informaci  některých  bakterií  (např.  pláštěnka  Chlamydomonas  reinhardtii)  nebo  syntetizovaných  opsinů,  která  zprostředkuje  syntézu  bílkovin 

6 

z rodiny  fotocitlivých  opsinů  (channelrhodopsin‐2).  Tyto  proteiny  následně  zabudované  v membráně  neuronu  při  expozici  specifické  vlnové  délce  elektromagnetického  vlnění  pozměňují  svou  strukturu  a  tím  i  propustnost  pro  určité  ionty  a  následně  i  polaritu  membrány.  Tímto  způsobem  lze  kontrolovat  chování  neuronů.  Vhodnou  volbou  opsinů  a  vlnové  délky  světla  se  určí,  zda  membrána bude depolarizována nebo hyperpolarizována a tedy zda neuron akční  potenciály  vyšle  nebo  naopak  jejich  vysílání  přeruší.  Toto  je  jedna  z nejvýznamnějších  odlišností  od  dosud  užívané  stimulace  elektrické,  která  umožňuje  pouze  neurony  excitovat.  Výběrem  neurální  populace  by  bylo  možné  určit,  zda  budou  ovlivněny  excitační  nebo  inhibiční  neurony.  Na  neurony,  jejichž  struktura ovlivněna nebyla, světelná stimulace vliv nemá.   Při světelné stimulaci je současně možné snímat elektrickou odezvu neurální tkáně  bez  stimulačních  artefaktů  na  rozdíl  od  stimulace  elektrické.  Světelnou  stimulaci  lze  realizovat  podobně  jako  hlubokou  mozkovou  stimulaci  elektrickou,  ale  místo  elektrických jsou používány světelné vodiče a zdroje.  Aplikační  obor  optogenetiky  usiluje  například  o  obnovení  funkce  oční  retiny  poškozené  degenerativními  procesy  nebo  zlepšení  léčby  u  Parkinsonovy  nebo  Alzheimerovy  choroby.  V  současné  době  probíhají  optogenetické  studie  na  zvířecích  modelech.  Optogenetika  byla  časopisem  Nature  Methods  vyhlášena  metodou roku 2010 [9].  4.  Limitace metod  Je třeba mít na vědomí, že uvedené metody mají mimo časoprostorového omezení  ještě limitace, které mohou přínos vyšetření významně snížit. Například v záznamu  EEG  se  činnost  podkorových  center  projeví  jen  minimálně,  a  pokud  takovou  aktivitu  potřebujeme  zaznamenat,  musíme  využít  statistických  metod.  Navíc  existuje‐li  neurálně  aktivní  oblast  v kůře,  která  má  proudové  dipóly  orientované  opačně,  jejich  elektrická  aktivita  bude  sledovatelná  pouze  v nejbližším  okolí  a  na  skalpu ji nezměříme.   Limitací  při  zobrazení  aktivních  oblastí  mozku  prostřednictvím  funkční  magnetické  rezonance  je  například  malá  schopnost  BOLD  reagovat  na  změny  v temporální  distribuci  neurální  aktivity.  Například  neurální  oblast,  která  změní  charakter výbojů z neuspořádaného na synchronní při zachování počtu výbojů za  časovou  jednotku,  je  s velkou  pravděpodobností  pro  řešení  úlohy  významná,  ale  pokud  nezvýší  metabolickou  činnost,  nebude  sledováním  BOLD  signálu  pozorovatelná [11]. Další limitující vlastností je obtížná odlišitelnost oblastí, které  se  přímo  na  úloze  podílejí  od  oblastí,  které  jsou  touto  činností  modulovány.  Tuto  vlastnost však lze považovat i za výhodu.  Odpovědi CNS jako je EP, ERP, BOLD lze chápat jako přechodovou  odezvu mozku  na  budící  podnět  nebo  úlohu.  Podnět  ‐  stimulus  zásadně  ovlivňuje  charakter  odpovědi a z tohoto důvodu je nutné parametry užitých stimulů, ale i záznamových  podmínek  přesně  specifikovat  pro  účely  vědecké  a  pro  diagnostické  záměry  používat  definované  standardy.  Tvorbou  standardů  se  zabývají  mezinárodní  odborné  společnosti  a  například  pro  elektrofyziologii  je  takovou  organizací  International Federation for Clinical Neurophysiology (http://www.ifcn.org). 

7 

Schopnost  jednotlivých  metod  oddělit  různé  zdroje  neurální  aktivity  v časoprostorové  dimenzi,  tak  jak  je  naznačena  v textu  a  na  Obr.  1,  ještě  plně  neurčuje její  využitelnost. Ta závisí zejména na míře a podmínkách, za kterých je  schopna od sebe odlišit dva různé fyziologické stavy. Velmi důležitým parametrem  je  interindividuální/intraindividuální  variabilita  pro  využití  v klinických  podmínkách  a  odstup  užitečné  složky  od  šumu.  Například  změna  prokrvení  vyvolaná  stimulem  představuje  u  fMRI  řádově  jednotky  procent  registrovaného  BOLD  signálu.  Pro  získání  věrohodných  výsledků  je  třeba  využít  další  informace,  kterou  lze  získat  například  vyšetřením  skupiny  osob  a  statistickým  přístupem  odhalit  závislosti,  které  by  při  analýze  výsledků  jediného  člověka  mohly  zůstat  ukryty ve variabilitě jeho základní aktivity.  Využití  poznatků  získaných  neurovědním  přístupem  v medicínské  praxi  není  přímočaré  a  často  vyžaduje  dlouhodobé  testování  a  optimalizaci.  Jednou  z nejvýznamnějších  limitací  bývá  nízká  citlivost  metody.  V klinické  praxi  je  nutné  identifikovat  patologii  u  jednotlivce,  což  může  být  obtížné,  pokud  je  variabilita  měřeného  parametru  vysoká  a  výzkumná  zjištění  byla  založena  např.  na  skupinových testech.  5.  Artefakty  Nejčastějším důvodem pro omezenou interpretovatelnost výsledků všech metod je  jejich  nevhodné  použití,  nevhodný  návrh  experimentu  nebo  hodnocení  artefaktů.  Artefaktem  se  v neurovědách  označuje  složka  zaznamenaného  signálu, která není  součástí pozorovaného jevu a zaznamenána byla nadbytečně například v důsledku  technické chyby.  Artefakty  jsou  rozdělovány  podle  vzniku  na  endogenní  –  jejich  zdrojem  je  organismus,  který  sledujeme.  Například  u  záznamu  EEG  to  může  být  svalová  aktivita spojená s pohyby hlavy, mrkáním nebo přítomnost změn stejnosměrného  napětí daného pohybem očí. Nezřídka je endogenním artefaktem v EEG například  EKG.  Nejčastějším  endogenním  artefaktem  v BOLD  signálu  jsou  změny  polohy  vyšetřovaného a to i v důsledku dýchacích pohybů nebo srdečních stahů.  Jestliže  je  zdroj  artefaktů  mimo  tělo  vyšetřovaného  organismu,  mluvíme  o  exogenních  artefaktech,  mezi  které  patří  u  EEG  nejčastěji  indukovaný  elektromagnetický šum vyvolaný vedením střídavého elektrického proudu v okolí,  kde  vyšetření  probíhá.  Signál  fMRI  může  být  také  kontaminován  řadou  artefaktů  mezi,  které  patří  registrace  vnějšího  elektromagnetického  pole  detekčními  cívkami.  Nejefektivnější  způsob  jak  bojovat  proti  těmto  artefaktům  je  využít  elektromagnetického  stínění.  Jiné  fMRI  artefakty  mohou  být  způsobené  i  přítomností paramagnetických materiálů v blízkosti vyšetřovaného.  Artefakty lze ze záznamu signálu odstranit pomocí digitálních technik zpracování  signálů  a  obrazů.  Tato  možnost  je  vždy  spojena  s rizikem,  že  spolu  s artefaktem  bude odstraněna i relevantní složka záznamu. Nejvhodnějším způsobem jak získat  věrohodné  výsledky  je  zabránit  vzniku  artefaktů  již  při  snímání,  ale  v některých  případech jako jsou například dýchací pohyby při fMRI vyšetření nebo mrkání očí  při zrakových stimulacích jsou artefakty nevyhnutelné a je nutno s nimi počítat při  návrhu experimentu. 

8 

Obr. 1 1: Srovnání vvlastností jed dnotlivých teechnik 

Každ dá  technikka  je  přředstavena  oblým  obdélníkem m  vymezu ujícím  čassovou  a pro ostorovou  oblast,  ve  které  je  daná  d techn nika  schop pna  registrrovat  mozk kovou  aktivvitu.  Obdéllník  je  vyybarven  od d  bílé  po černou  podle  p stup pně  zátěže  pro  vyšettřovaného.  Vedle  názzvu  techniiky  je  kruh h  s výplní  symbolizujjící  náklady dy  na  vyšettření.  Jedn notlivé  meetody:  DB BS  –  hlub boká  mozková  stim mulace;  EE EG  –  elekttroencefalo ografie;  fMR RI  –  funkčční  zobrazení  magneetickou  rezzonancí;  MEG  M –  magnetoencefalografie (za ahrnuje i  na událost  n vázané odp v povědi podo obně jako E EEG);  grafie;  PET T  –  pozitro onová  emiisní  tomog grafie;  SPE ECT  –  NIRSS  –  optická  spektrog jedno ofotonová eemisní tomo ografie. Obrázek byl u upraven pod dle [3]. 

9 

6.  Souhrn  Časoprostorové  rozlišení  aktivity  v mozku  jednotlivými  metodami  je  názorně  shrnuto  v Obr.  1,  který  dále  obsahuje  informaci  o  zátěži  pro  pacienta/pokusnou  osobu  a  relativní  cenovou  dostupnost  vyšetření.  Rozlišení  je  možno  chápat  jako  nejmenší časovou/prostorovou vzdálenost dvou dějů, kdy je možno ještě oba děje  pozorovat odděleně. Jak je z grafu patrné, prostor všech dějů probíhajících v živém  mozku  nelze  pokrýt  jednou  technikou  a  tak  je  často  kombinováno  například  vyšetření  fMRI  a  EEG,  což  umožní  zvýšit  jak  prostorovou,  tak  časovou  rozlišitelnost. Cenově je výhodné kombinovat levné a neinvazivní vyšetření EEG a  strukturální  zobrazení  mozku,  koregistrovat  obě  vyšetření  a  využít  apriorní  anatomické  informace  k  lokalizaci  aktivních  center.  Podrobnější  informace  o  uvedených metodách jsou dobře podány například v Cacioppově monografii [1].  Názor  na  využití  a  potažmo  i  efektivnost  popsaných  technik  si  lze  učinit  ze  srovnání jejich citovanosti ve vědeckých publikacích. Na Obr. 2 jsou uvedeny počty  citací nalezené prostřednictvím služby PubMed, U.S. National Library of Medicine,  National  Institutes  of  Health  (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/).  V horní  části  obrázku  je  patrné,  že  nejprudší  nárůst  od  80tých  let  20  století  zažívá  funkční  zobrazení magnetickou rezonancí. Během roku 2010 byla tato technika zmíněna ve  více  než  22000  článcích,  což  odpovídá  zhruba  60  článkům  za  jeden  den.  Využití  evokovaných  potenciálů  od  50tých  let  minulého  století  také  stále  narůstá,  ale  podstatně pomaleji a minulý rok byla technika citována více než 3600 články. Silný  vzestup citovanosti je patrný i pro PET, ale zde je třeba mít na mysli, že technika je  využívána převážně pro onkologické aplikace a citovanost vztažená k neurovědám  je  zhruba  25%.  Přehled  je  pouze  informativní,  protože  neustále  narůstá  objem  ročních publikací a pro lepší srovnání aktuálního zastoupení metod ve vědeckých  publikacích  je  možné  trend  citovanosti  vztáhnout  k celkovému  počtu  publikací  v databázi, tak jak je vyznačeno na spodním panelu Obr. 2. Ani  tento přístup však  nepokryje vývoj a diferenciaci terminologie v názvech metod.    Tato práce vznikla za podpory projektu Grantové agentury České republiky, projekt:  309/09/0869.   

 

10  

  Obr. 2: Srrovnání vývo oje využití vy ybraných metod v čase 

Pro  orientační  srovnání  četnosti  vyyužití  i)  evvokovaných h  potenciálů,  ii)  zobrazení  pomocí  funkčn ní  magneticcké  rezona ance,  iii)  positronové p é  emisní  to omografie  a  iv)  mapování  funkkčních  vzttahů  mozkku  prostřed dnictvím  transkraniá t ální  magneetické  stimu ulace  je  vyyužito  porttálu  The  National  N Ceenter  for  Biotechnolo B ogy  Information  (http p://www.nccbi.nlm.nih..gov/).  Zob brazen  je  počet  p publlikací  obsahující  v leg gendě  uved dené výrazyy specifikujíící danou m metodu v prrůběhu obd dobí od roku u 1950 po 2 2010.  Doln ní panel vzttahuje počeet publikacíí na 100000 0 děl indexo ovaných da atabází v da aném  roce..   

11  

Literatura  [1]  CACIOPPO,  J.T.,  TASSINARY,  L.G.  AND  BERNTSON,  G.G.  Handbook  of  psychophysiology.  Edtion  ed.  Cambridge  [England]  ;  New  York:  Cambridge  University Press, 2007. 898 p. p. ISBN 9780521844710 (hardback).  [2]  CAULI,  B.  AND  HAMEL,  E.  Revisiting  the  role  of  neurons  in  neurovascular  coupling. Front Neuroenergetics,  2010, vol. 2, p. 9.  [3]  COHEN,  M.S.  AND  BOOKHEIMER,  S.Y.  Localization  of  brain  function  using  magnetic resonance imaging. Trends in Neurosciences,  1994, vol. 17, no. 7, p.  268‐277.  [4]  FRANCESCHINI, M.A., JOSEPH, D.K., HUPPERT, T.J., DIAMOND, S.G. AND BOAS,  D.A. Diffuse optical imaging of the whole head. J Biomed Opt, Sep‐Oct 2006,  vol. 11, no. 5, p. 054007.  [5]  FUKUDA,  M.,  MOON,  C.H.,  WANG,  P.  AND  KIM,  S.G.  Mapping  iso‐orientation  columns by contrast agent‐enhanced functional magnetic resonance imaging:  reproducibility,  specificity,  and  evaluation  by  optical  imaging  of  intrinsic  signal. J Neurosci, Nov 15 2006, vol. 26, no. 46, p. 11821‐11832.  [6]  JEZZARD,  P.,  MATTHEWS,  P.M.  AND  SMITH,  S.M.  Functional  MRI  :  an  introduction  to  methods.  Edtion  ed.  Oxford  ;  New  York:  Oxford  University  Press, 2001. xiii, 390 p. p. ISBN 0192630717.  [7]  KANDEL, E.R., SCHWARTZ, J.H. AND JESSELL, T.M. Principles of neural science.  Edtion ed.: McGraw‐Hill, 2000.  [8]  PASCUAL‐LEONE, A. AND WALSH, V. Fast backprojections from the motion to  the primary visual area necessary for visual awareness. Science, Apr 20 2001,  vol. 292, no. 5516, p. 510‐512.  [9]  PASTRANA,  E.  Optogenetics:  controlling  cell  function  with  light.  Nat  Meth,   2011, vol. 8, no. 1, p. 24‐25.  [10]  RUGG, M.D. AND COLES, M.G.H. Electrophysiology of mind : event­related brain  potentials  and  cognition.  Edtion  ed.  Oxford  ;  New  York:  Oxford  University  Press, 1995. xv, 220 p. p. ISBN 0198521359.  [11]  SEIYAMA,  A.,  SEKI,  J.,  TANABE,  H.C.,  SASE,  I.,  TAKATSUKI,  A.,  MIYAUCHI,  S.,  EDA,  H.,  HAYASHI,  S.,  IMARUOKA,  T.,  IWAKURA,  T.  AND  YANAGIDA,  T.  Circulatory  basis  of  fMRI  signals:  relationship  between  changes  in  the  hemodynamic parameters and BOLD signal intensity. Neuroimage, Apr 2004,  vol. 21, no. 4, p. 1204‐1214.  [12]  WASSERMAN,  E.,  EPSTEIN,  C.M.  AND  ZIEMANN,  U.  The  Oxford  handbook  of  transcranial  stimulation.  Edtion  ed.  Oxford  ;  New  York:  Oxford  University  Press, 2008. xiv, 747 p. p. ISBN 9780198568926 (alk. paper).  [13]  ZANI,  A.  AND  PROVERBIO,  A.M.  The  cognitive  electrophysiology  of  mind  and  brain.  Edtion  ed.  Amsterdam  ;  Boston:  Academic  Press,  2003.  xvii,  436  p.  p.  ISBN 0127754210 (alk. paper).   

 

12  

Doc. Ing. Jan Kremláček, PhD  Univerzita Karlova v Praze, Lékařská fakulta v Hradci Králové   Šimkova 870, 50038 Hradec Králové, Česká republika  e‐mail: [email protected]   

13