Historie neurozobrazování začala na počátku 20. století technikou zvanou pneumoencefalografie. Tento proces zahrnoval odsávání mozkomíšního moku z okolí mozku a jeho nahrazení vzduchem, změnu relativní hustoty mozku a jeho okolí, aby se lépe ukázal na rentgenu. Byl považován za neuvěřitelně nebezpečný pro pacienty (Beaumont 8). V 70. a 80. letech 20. století byla vyvinuta forma magnetické rezonance (MRI) a počítačové tomografie (CT). Nové technologie MRI a CT byly podstatně méně škodlivé a podrobněji jsou vysvětleny níže. Následovaly snímky SPECT a PET, které umožnily vědcům zmapovat mozkové funkce, protože na rozdíl od MRI a CT mohly tyto snímky vytvořit více než jen statické snímky struktury mozku. Vědci se učili z MRI, PET a SPECT skenování a byli schopni vyvinout funkční MRI (fMRI) se schopnostmi, které otevřely dveře přímému pozorování kognitivních aktivit.
Počáteční využití zobrazování mozku
Touha porozumět lidské mysli byla jednou z hlavních tužeb filozofů po celé věky. Otázky týkající se myšlenek, tužeb a tak dále přitáhly psychology, počítačové vědce, filozofy, sociology a podobně dohromady do nové disciplíny kognitivní vědy. Neinvazivní zobrazování lidského mozku se v této souvislosti ukázalo jako neocenitelné.
Strukturální zobrazování začalo ranými radiografickými technikami k zobrazení lidského mozku. Bohužel, protože mozek je téměř celý složen z měkké tkáně, která není radiově neprůhledná, zůstává v podstatě neviditelný pro běžné nebo obyčejné rentgenové vyšetření. To platí i pro většinu mozkových abnormalit, i když existují výjimky, jako je zvápenatělý nádor (např. meningiom, kraniofaryngiom, některé typy gliomu); zatímco zvápenatění v takových normálních strukturách, jako je epifýza, choroidní plexusy nebo velké mozkové tepny, může nepřímo dát důležité vodítko k přítomnosti strukturálních onemocnění v mozku samotném.
V roce 1918 zavedl americký neurochirurg Walter Dandy techniku ventrikulografie, kdy se snímky komorového systému v mozku získávaly injekcí filtrovaného vzduchu přímo do jedné nebo obou postranních komor mozku pomocí jednoho nebo více malých trefných otvorů vyvrtaných do lebky v lokální anestezii. I když to obvykle nebyl bolestivý zákrok, ventrikulografie přinášela vyšetřovanému pacientovi značná rizika, jako je krvácení, infekce a nebezpečné změny nitrolebního tlaku. Chirurgické informace podávané touto metodou však byly často pozoruhodně přesné a značně zvětšovaly možnosti a přesnost neurochirurgické léčby. Dandy také pozoroval, že vzduch zaváděný do subarachnoidálního prostoru lumbální spinální punkcí se mohl dostat do mozkových komor a také demonstrovat kompartmenty mozkomíšního moku kolem báze mozku a nad jeho povrchem. Tato technika se nazývala pneumoencefalografie. Dále rozšířila prostor pro přesnou intrakraniální diagnostiku, ale za podobnou cenu rizik pro pacienta a také je sama o sobě velmi nepříjemným a často bolestivým utrpením.
Vývoj moderních technik
V roce 1927 Egas Moniz, profesor neurologie v Lisabonu, zavedl mozkovou angiografii, díky níž bylo možné s velkou přesností vizualizovat jak normální, tak abnormální cévy v mozku a jeho okolí. Ve svých počátcích s sebou tato technika nesla rovněž okamžitá i dlouhodobá rizika, mnohá z nich byla referovatelná na škodlivé účinky látek s pozitivním kontrastem, které se používaly pro injekce do oběhu. Techniky se v posledních několika desetiletích velmi zdokonalily, takže mozková angiografie zůstává neodmyslitelnou součástí diagnostického zobrazovacího armamentaria neurochirurga a stále více také terapeutického armamentaria, při léčbě mozkových aneurysmat a jiných lézí krevních cév a u některých odrůd mozkových nádorů.
S příchodem počítačové axiální tomografie (CAT nebo CT skenování) se pro diagnostické a výzkumné účely staly k dispozici stále detailnější anatomické snímky mozku. Jména Oldendorfa (v roce 1961) Godfreyho Newbolda Hounsfielda a Allana McLeoda Cormacka (v roce 1973) jsou spojována s touto revoluční inovací, která umožnila mnohem snadnější, bezpečnější, neinvazivní, bezbolestné a (v rozumné míře) opakovatelné neurovyšetřování. Cormack a Housenfield získali v roce 1979 za tuto práci Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu.
První techniky jako inhalace xenonu poskytly první mapy průtoku krve mozkem.
Vyvinutý počátkem 60. let Nielsem A. Lassenem, Davidem H. Ingvarem a Erikem Skinhøjem v jižní Skandinávii používal izotop xenon-133. Pozdější verze měly 254 scintilátorů, takže dvourozměrný obraz mohl být vytvářen na barevném monitoru. To jim umožnilo vytvářet obrazy odrážející aktivaci mozku z mluvení, čtení, zrakového nebo sluchového vnímání a dobrovolného pohybu.
Brzy po vynálezu CAT odstartoval vývoj radioligandů revoluci funkčního zobrazování. Radioligandy buď zůstávají v krevním oběhu, nebo vstupují do mozku a vážou se na receptory. Radioligandy jsou buď jednoduché fotonové nebo pozitronové emitory. Takto získala svá jména jednofotonová emisní počítačová tomografie (SPECT) a pozitronová emisní tomografie (PET). Edward J. Hoffman a Michael Phelps vyvinuli první lidský PET skener v roce 1973.
Funkční zobrazování udělalo velký krok vpřed s vývojem kyslíkem-15 značeného vodního (H215O, nebo H20-15) zobrazování. H20-15 vyzařuje pozitrony a vytváří obrazy založené na regionálním průtoku krve v mozku. Vzhledem k tomu, že aktivní neurony získávají robustní zásobu krve, H20-15 PET umožnil vyšetřovatelům vytvářet regionální mapy mozkové aktivity během různých kognitivních úkonů.
Magnetická rezonance
Více či méně souběžně bylo vyvinuto magnetické rezonance (MRI nebo MR skenování). Spíše než ionizační nebo x-záření využívá MRI variace signálů produkovaných protony v těle, když je hlava umístěna v silném magnetickém poli. S ranou aplikací základní techniky na lidské tělo jsou spojena jména Jackson (v roce 1968), Damadian (v roce 1972) a Abe a Paul Lauterbur (v roce 1973). Lauterbur a Sir Peter Mansfield dostali v roce 2003 Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu za své objevy týkající se MRI. Zpočátku strukturální zobrazování těžilo ze zavedení MRI více než funkční zobrazování. Během 80. let došlo k opravdové explozi technických vylepšení a diagnostických MR aplikací, které umožnily i neurologickým tyronům diagnostikovat mozkovou patologii, která by byla nepolapitelná nebo neschopná demonstrace u živého člověka jen o deset či dva roky dříve.
Vědci brzy zjistili, že velké změny krevního průtoku měřené pomocí H20-15 PET byly také snímány pomocí MRI. Zrodilo se funkční magnetické rezonance (fMRI). Od 90. let 20. století začala fMRI dominovat v oblasti mapování mozku díky své nízké invazivnosti, nedostatku radiační expozice a relativně široké dostupnosti.
Fyzikové také vyvinuli další techniky založené na MRI, jako je magnetická rezonanční spektroskopie (pro měření některých klíčových metabolitů, jako je n-acetylaspartát a laktát v živém mozku) a zobrazení difuzního tenzoru (pro mapování traktů bílé hmoty v živém mozku). Zatímco strukturální MRI a CAT skenování mají v medicíně velké místo, fMRI a její techniky jsou stále z velké části věnovány neurovědeckému výzkumu. Nicméně velmi nedávno začali neurologové používat fMRI k tomu, aby začali odpovídat na klinické otázky, například jak dlouho po trombotické mozkové příhodě je bezpečné a účinné podávat látku rozpouštějící sraženinu, jako je tkáňový aktivátor plazminogenu (TPA). Podobně se PET a SPECT přesunuly z neurovýzkumu a jsou stále více klinicky využívány k pomoci diagnostikovat a rozlišovat typy dementních onemocnění (demence).
Nedávné průlomy v neinvazivním zobrazování mozku byly poněkud omezené, protože většina z nich nebyla úplně nová; spíše se pouze zdokonalují stávající techniky zobrazování mozku. fMRI je toho dokonalým příkladem z počátku 90. let a stále zůstává nejpřesnější technikou zobrazování mozku, která je dnes dostupná. Pokroky byly učiněny v řadě ohledů, pokud jde o neurozobrazování, a tato část se bude týkat některých výraznějších zlepšení včetně výpočetního pokroku, transkraniální magnetické stimulace a jaderné magnetické rezonance.
Začnu tím, že velká část nedávného pokroku nesouvisí se samotnými metodami zobrazování mozku, ale s naší schopností využívat počítače při analýze dat. Například podstatné objevy v růstu lidského mozku od věku tří měsíců do věku patnácti let byly učiněny díky vytvoření mozkových map s vysokým rozlišením a počítačové technologii pro analýzu těchto map v různých časových a růstových obdobích (Thompson, UCLA). Tento typ průlomu představuje podstatu většiny průlomů v dnešní neurovědě. Vzhledem k tomu, že technologie fMRI mapuje mozky nad rámec toho, čemu už rozumíme, většina inovátorů tráví čas snahou dát smysl datům, která už máme, spíše než sondováním do jiných sfér zobrazování a mapování mozku.
Jasněji to lze vidět na tom, že se chytají archivy se zobrazováním mozku a neuroinformatika umožňuje výzkumníkům zkoumat tisíce mozků spíše než jen několik (Lynch). Tyto archivy také univerzalizují a standardizují formáty a popisy tak, aby byly pro každého lépe vyhledatelné. Za posledních deset let jsme byli schopni získávat data a nyní nám naše technologie umožňuje sdílet poznatky a výzkum mnohem snadněji. To také umožnilo vytvářet „mozkové atlasy“. Mozkové atlasy jsou jednoduše mapy toho, jak vypadají normální fungující mozky (Thompson, Bioinformatics).
Dalším příkladem technologie, která umožňuje, aby relativně starší zobrazovací techniky mozku byly ještě užitečnější, je naše schopnost kombinovat různé techniky a získat jednu mapu mozku. To se stává poměrně často u MRI a EEG skenů. Elektrické schéma EEG poskytuje časování ve zlomcích sekundy, zatímco MRI poskytuje vysokou úroveň prostorové přesnosti.
Transkraniální magnetická stimulace (TMS) je novinkou v oblasti zobrazování mozku. V TMS se v blízkosti hlavy člověka drží cívka, která generuje impulzy magnetického pole, které stimulují mozkové buňky, aby někdo provedl specifickou akci. Pomocí této technologie v kombinaci s MRI může výzkumník vygenerovat mapy mozku vykonávajícího velmi specifické funkce. Místo toho, aby požádal pacienta, aby si poklepal na prst, může cívka TMS jednoduše „říct“ jeho mozku, aby si poklepal na prst. Tím se eliminuje mnoho falešných pozitiv získaných z tradičního MRI a fMRI testování. Snímky získané touto technologií se mírně liší od typických výsledků MRI a mohou být použity k mapování mozku jakéhokoliv subjektu sledováním až 120 různých stimulací. Tato technologie byla použita k mapování motorických procesů i vizuálních procesů (Pottsův odkaz na konci TMS). Kromě fMRI lze změřit aktivaci TMS pomocí elektroencefalografie (EEG) nebo blízké infračervené spektroskopie (NIRS).
Jaderná magnetická rezonance (NMR) je to, z čeho byly odvozeny technologie MRI a fMRI, ale nedávný pokrok byl dosažen návratem k původní technologii NMR a vylepšením některých jejích aspektů. NMR má tradičně dva kroky, kódování signálu a detekci, a tyto kroky se běžně provádějí ve stejném přístroji. Nový objev však naznačuje, že použití laserem polarizovaného xenonového plynu pro „zapamatování“ zakódovaných informací a přenos těchto informací na místo vzdálené detekce by se mohlo ukázat jako mnohem efektivnější (Preuss). Oddělení kódování a detekce umožňuje výzkumníkům získat data o chemických, fyzikálních a biologických procesech, která dosud nebyli schopni získat. Konečný výsledek umožňuje výzkumníkům zmapovat věci velké jako vzorky geologického jádra nebo malé jako jednotlivé buňky.
Je zajímavé sledovat, jak jsou pokroky rozděleny mezi ty, kteří hledají kompletně zmapovaný mozek pomocí zobrazení jednoho neuronu, a ty, kteří využívají zobrazení mozku, když subjekty provádějí různé úkoly na vysoké úrovni. Zobrazení jednoho neuronu (SNI) využívá kombinaci genetického inženýrství a optických zobrazovacích technik k vložení drobných elektrod do mozku za účelem měření palby jednoho neuronu. Vzhledem k jeho škodlivým následkům byla tato technika použita pouze na zvířatech, ale vrhla mnoho světla na základní emoční a motivační procesy. Cílem studií činností na vyšší úrovni je určit, jak síť mozkových oblastí spolupracuje při plnění jednotlivých úkolů. Toto zobrazení na vyšší úrovni je mnohem jednodušší, protože výzkumníci mohou snadno použít subjekty, které mají nemoc, jako je Alzheimerova choroba. Zdá se, že technologie SNI jde po možnosti AI, zatímco technologie síťového sondování se zdá být spíše pro lékařské účely.
Praktické úspěchy funkčního zobrazování mozku
Počátkem 21. století dospěl obor zobrazování mozku do stádia, kdy bylo možné realizovat omezené praktické využití funkčního zobrazování mozku. Hlavní oblastí využití jsou hrubé formy rozhraní mozek-počítač.
Aby bylo možné co nejlépe představit důsledky nových a lépe vyvinutých technologií zobrazování mozku, bude nejjednodušší vyhodnotit důsledky v rámci kategorií medicína, právo a vzdělání.
Když se zvýšená možnost mapování mozku na neuronální nebo buněčné úrovni spojí se zvýšenou možností nanotechnologií, mohou být výsledky velmi zarážející. Naše schopnost porozumět mozku by mohla být podpořena nanotechnologií i pomocí nanotechnologii. Autonomní nanotechnologická zařízení by se mohla rozptýlit do definovaných míst v mozku a mohla by být použita jako senzory pro zpětné hlášení nových informací, nebo by mohla být použita k eliminaci nežádoucích typů buněk, jako jsou nádory.
Nádory mozku mají často tendenci růst mezi normálními buňkami, a jsou tedy dosti invazivní a obtížně plně vymýtitelné. Zařízení mohou být navržena tak, aby rozpoznala nádorové buňky a selektivně je zničila nějakým druhem toxinu. Mohou být naváděna k nádorové hmotě pomocí informací získaných z fMRI technologie, a jak je uvedeno výše, mohla by zůstat na místě a fungovat jako senzory pro hlášení nových informací. Lidé se záchvaty jsou dalším dobrým příkladem něčeho, čemu by se touto technologií dalo pomoci. Slepota způsobená očním onemocněním může být napravitelná nahrazením oka nanotechnologickým ekvivalentem. Optobionics Corporation již úspěšně otestovala svou křemíkovou sítnici na pacientech s poškozenými sítnicovými buňkami (Hook). Scénáře, kdy by to mohlo přijít do hry, se zdají být téměř nekonečné. Technologie FMRI již umožňuje dokončení operací, které byly kdysi považovány za nepředstavitelné (Schulder). Mnoho rizikových operací mozku je prováděno chirurgy prostřednictvím počítačového zobrazení mozku a poté prováděno na pacientovi pomocí menších, méně invazivních mechanismů.
Blíže k horizontu než výše uvedené nanotechnologie by se výzkumníkům naskytla možnost lokalizovat konkrétně místa, kde se v mozku nacházejí různé nemoci, a zjistit, co se přesně děje. Vědci a lékaři teprve nyní začínají chápat, kde přesně Alzheimerova choroba působí a co Alzheimerova choroba způsobuje. Dalšími příklady nemocí, kterým zobrazování mozku pomáhá, jsou Parkinsonova choroba, Lymská borelióza, schizofrenie a deprese.
Způsob, jakým učíme děti, může být ovlivněn také novou technologií zobrazování mozku. Snímkování potvrdilo teorii, že milující rodiče dělají chytřejší a šťastnější děti a že mluvení a hraní si s dítětem a to, že ho necháme vidět, dotýkat se, čichat a slyšet nové věci, pomůže rozvinout mozkové pevné vedení (Zwillich). Nové výukové techniky by mohly být vyvinuty na základě toho, co nám výzkum zobrazování mozku říká o tom, jak mozek reaguje na učení různých typů věcí. Pokud také rozumíme všem funkcím různých částí mozku, je velmi pravděpodobné, že bychom mohli rozšířit mozek chirurgií nebo nanotechnologií, aby lidé získali zvláštní schopnosti prakticky v jakékoli oblasti.
Se vším novým ve společnosti se vždy objevují právní otázky a možnosti plynoucí ze zobrazování mozku nejsou výjimkou. V prvé řadě zobrazování ukázalo, že mnohočetné oblasti mozku jsou u zločinců často nefunkční. U psychopatů se amygdala neaktivuje emocionálním stimulem (Swiercinsk). Mnozí obhájci zločinců dnes používají zobrazování mozku při obhajobě svého klienta. Vyvolává to mnoho otázek včetně otázky, zda bychom měli někoho donutit, aby se podrobil skenu mozku, pokud dokážeme stimulovat jeho mozek takovým způsobem, že budeme schopni říct, jaké zločiny, pokud vůbec nějaké, ta osoba spáchala. Takových scénářů je samozřejmě neomezený počet. Určitě také vyvstanou otázky, jak by měl zákon omezovat činnost TMS a etické důsledky toho.
Účelnost, s níž jsou vědci a výzkumníci schopni plně porozumět kompletně zmapovanému lidskému mozku, přímo určí arénu diskusí v neurovědě, filozofii a celé kognitivní vědě na několik let dopředu. Dokončená neurověda by měla dalekosáhlé potenciální důsledky, včetně přímého rozhraní mysli s počítačem, technologicky asistované telepatie a přenosu mysli. Při pohledu na některé současné technologie, nedávné průlomy ve zobrazování mozku a některé důsledky zobrazování mozku tento článek sotva začal vychylovat to, co se buduje jako obrovský ledovec.