U každého jedince v závislosti na jeho rysech osobnosti a duševních schopnostech tato mozková centra zbytňují či ubývají a na odpovídajících místech lze na lebce nahmatat hrbolky či propadliny. Tak lze palpací zjistit osobnostní a duševní schopnosti vyšetřovaného. Tato teorie se později začala označovat jako frenologie. Vyšetřování charakteru jedince pohmatem jeho lebky se ukázalo nesmyslné, myšlenka o lokalizaci mozkových funkcí se však později potvrzovala.
Znalosti o lokalizaci mozkových funkcí u člověka se zpočátku získávaly především na jednotlivcích s mozkovými úrazy či příhodami, které vedly k poruchám hybnosti, smyslů či ztrátě určité mentální funkce. Protože je mozek velmi dobře kryt lebkou, byla lokalizace postižených mozkových oblastí u lidí přežívajících poranění v době, kdy nebyly k dispozici moderní zobrazovací metody jako např. počítačová tomografie (CT) či nukleární magnetická rezonance (NMR), obtížná. První popisy pocházejí většinou z pozorování pacientů, u kterých byl před smrtí zjištěn izolovaný výpad některé funkce a po smrti byla zasažená oblast detekována na pitevním stole (viz schéma).
Nejznámějším takovým příkladem je případ 51letého pacienta z útulku Bicetre, kterého odborná veřejnost zná pod přezdívkou Tan-Tan. Tento pacient se v roce 1861 dostal na chirurgické oddělení do péče Paula Pierra Brocy. Komunikoval pouze pomocí gest a opakovaného bezvýznamného zvuku „tan“. Mluvené řeči přitom rozuměl a po rozumové stránce byl v pořádku. Schopnost plynulé řeči ztratil kolem 30 let a později mu postupně ochrnula pravá ruka a noha. Na chirurgickém oddělení nakonec zemřel a pitval ho Broca. Zjistil výrazné porušení mozkové tkáně velikosti vejce v levém čelním laloku a dospěl k závěru, že poškození této části mozku vedlo ke ztrátě schopnosti mluvit a později i k ochrnutí. Oblast levého čelního laloku byla prohlášena za centrum řeči a na počest autora popisu je toto místo nazýváno Brocova oblast. Nutno podotknout, že před Brocou obdobný jev pozorovali Jean Baptiste Bouillaud (1825), Marc Dax (1836) a Ernest Auburtin (1861). Ačkoliv ti pozorovali podobné změny (venkovský lékař Dax u 40 pacientů s afázií po postižení levé mozkové hemisféry), svá pozorování nepublikovali či jim neudělali dostatečnou publicitu, a tak je znám především Paul Broca.
V roce 1874 popsal Carl Wernicke podle pitevních nálezů poškození levých spánkových oblastí, které bylo spojeno se ztrátou porozumění řeči. Její produkce však postižena nebyla (senzorická afázie - Wernickeova afázie). Tak byla popsána dvě důležitá centra pro správnou funkci řeči: 1. motorické - důležité pro tvorbu, skladbu a plynulost řeči a 2. senzorické - důležité pro porozumění řeči. V současnosti víme, že toto dělení je výrazně zjednodušené.
Později bylo mnoho poznatků o lokalizaci mozkových funkcí získáno především „díky“ válečným invalidům, kteří utrpěli poranění hlavy a úraz přežili. Pacienti byli podrobováni postupně se zdokonalujícím neuropsychologickým testům zaměřeným na vyšší nervové funkce a postižení detekovaných funkcí bylo dáváno do souvislosti s poškozenou oblastí mozku. Tato oblast výzkumu byla jednou z domén vznikající neuropsychologie a rozvinula se především v Německu a později ve Spojených státech a bývalém Sovětském svazu. Výzkum byl tak plodný, že dnes můžeme pomocí neuropsychologických testů, jako jsou například Wiskonsinský test třídění karet či Stroopův test, zachytit pokles ve výkonu u 65 %, resp. 31 % pacientů s frontální lézí (senzitivita) a vyloučit správně 61 %, resp. 96 % zdravých jedinců bez frontální léze (specificita). Jen pro srovnání, senzitivita EKG pro stanovení akutního infarktu myokardu se pohybuje mezi 35-57 % a specificita v rozmezí 73-87 %.
Všechny výše uvedené příklady můžeme zařadit do prvního přístupu, jak lze mapovat vyšší nervovou činnost u lidí (viz schéma). Přesně lokalizované poškození mozku vede k rozpoznatelnému výpadu či porušení některé mozkové funkce. Modifikací prvního přístupu je lokální stimulace mozku a sledování funkční odezvy. Jedním z průkopníků tohoto přístupu byl německý lékař Eduard Hitzig, který v 60. letech 19. století stimuloval mozkovou kůru pacientů, u kterých došlo vlivem traumatu ke ztrátě lebních kostí. Ke stimulaci použil dráty a baterie. Hitzig zjistil, že slabý elektrický stimulus aplikovaný v zadních partiích mozku vede k pohybům očí. Tento přístup dosáhl svého rozkvětu ve 40. letech 20. století a je spojen se jménem Wildera Penfielda. Ten prováděl stimulace mozkové kůry elektrickým proudem u pacientů s epilepsií s cílem lokalizovat epileptické ložisko. Pacienti byli během operace bdělí (samotný mozek je paradoxně k bolesti necitlivý), a tak mohli Penfieldovi „on line“ sdělovat své pocity. Dráždění některých mozkových oblastí vedlo např. k pohybu končetin, tělesným pocitům, ale i emočním prožitkům, vybavení vzpomínek, pocitu vnímání písně či pocitu zápachu spáleného toastu. Penfieldovi vděčíme za schéma motorické a senzorické kůry (známý obrázek tzv. homunkula, který je však z dnešního pohledu iluzorním a zjednodušeným modelem), ale především za poznatek, že epizodická paměť sídlí v temporálním laloku. Stejným způsobem bylo nedávno zjištěno, že stimulace v okolí gyrus angularis (Brodmanova area - BA 40) vedla k „mimotělním zážitkům“ (out-of-body experiences), které prožívají někteří pacienti s ložiskem epilepsie v této oblasti. Pacienti v bdělém stavu mají pocit, že vidí své tělo a svět z pozice mimo své tělo (z tzv. parasomatické vizuo-prostorové perspektivy). Podobným fenoménem je autoskopie, což je vidění svého těla v extrapersonálním prostoru (ze své osobní vizuo-prostorové perspektivy). Tento přístup je invazivní a jeho aplikace na lidech jsou omezené na pacienty, kteří se podrobují operaci mozku.
Od 90. let 20. století se však k mapování mozkových funkcí používá též neinvazivní stimulační metody, transkraniální magnetické stimulace (TMS). Tato metoda využívá silné magnetické pulzní pole (1-2,5 T), které se šíří z přiložené cívky nad hlavou až k mozku, ve kterém (jakožto vodiči 2. stupně) vede ke vzniku elektrických proudů a podle zvolených parametrů ke stimulaci či inhibici neuronů do vzdálenosti 2-3 cm od cívky (viz též článek P. Mohra). Opakovaná aplikace pulzního magnetického pole nazývaná repetitivní (rTMS) vedla např. během aplikace nad kšticí v oblasti fronto-temporální oblasti k dočasné zástavě řeči (po dobu aplikace) u zdravých dobrovolníků, obdobně jako je tomu u pacientů s afázií. Tento efekt rTMS je někdy označován jako tzv. virtuální léze. Virtuální lézi či narušení zpracování některých informací lze vyvolat z různých oblastí mozku s různým časovým odstupem, a tak lze díky rTMS mapovat i časově-lokalizační posloupnost zpracování informací. Ovlivnění dané oblasti rTMS nemusí vést vždy k výpadu normální funkce, ale i k útlumu patologické abnormity, jako je tomu v případu sluchových halucinací či tinnitu. Lákavý se zdá i opačný postup, a to stimulace mozkové kůry rTMS. Stimulace čelních laloků rTMS se opakovaně ukázala stejně účinná jako elektrokonvulze v léčbě depresivní poruchy bez psychotických příznaků. Mozková aktivita a její projevy
Druhý přístup mapování mozkových funkcí u lidí je vlastně obrácením prvního přístupu. Sledujeme, jak je určitá funkce spojena s aktivitou mozkové kůry (schéma). Zde však narážíme na problém, jak sledovat aktivitu mozkové kůry, která je dobře skryta v lebce. A tak první pozorování byla uskutečněna opět na pacientech s defektem lebních kostí. V druhé polovině 19. století tyto pacienty sledoval italský fyziolog Angelo Mosso a registroval jejich pohyby cév na povrchu mozku. Mosso si všiml, že k lokálnímu zvýšení pulzace došlo vždy bezprostředně poté, co postižený jedinec začal mluvit či začal usilovně přemýšlet při řešení obtížné úlohy. Svá pozorování uzavřel tvrzením, že mozková cirkulace se selektivně mění spolu s aktivitou neuronů. Také zmíněný Paul Pierre Broca se zajímal o oběhové změny spojené s duševní činností, které by se odrážely ve změnách mozkové teploty. Broca studoval účinek různých mentálních aktivit, zvláště pak řeči, na lokální teplotu skalpu. Měřením teploty se zabývali i Angelo Mosso a Hans Berger, který stál později u zrodu elektroencefalografie. I když snaha o sledování tepelných změn jako ukazatele mozkové činnosti se v současnosti může zdát na první pohled pošetilá, ukazuje se, že termoencefaloskopie může být užitečným nástrojem v neurovědách a medicíně i v přítomnosti. Zájem o spojení mezi prokrvením, metabolismem mozku a jeho funkcí opadl v první čtvrtině 20. století. Nepochybně to bylo způsobeno vlivem nedostatečně sofistikovaných nástrojů k pokračování v tomto druhu výzkumu. Navíc práce profesora Leonarda Hilla, člena anglické Královské koleje chirurgů, která vedla k závěru, že není vztah mezi mozkovou funkcí a mozkovým oběhem, měla na další bádání v tomto směru negativní vliv. V roce 1928 uveřejnil John Fulton v časopise Brain případ pacienta s postupnou ztrátou zraku. Příčinou byla AV malformace v týlních oblastech šedé kůry mozkové. Operační zákrok byl neúspěšný a pacientovi zůstal kostní defekt v týlní oblasti. AV malformace způsobovala průtokový šelest, který byl slyšet vždy, když byl pacient podroben zrakové úloze. Na základě tohoto poznatku prováděl Fulton detailní vyšetřování chování šelestu, který mohl poslouchat a zaznamenávat změny prokrvení nad týlními oblastmi mozku. Nápadné konzistentní změny v charakteru šelestu byly zaznamenány vždy v souvislosti s vizuálními aktivitami pacienta. Otevření očí znamenalo pouze malé zvýšení šelestu, zatímco čtení způsobovalo značné zvýšení šelestu. Tento případ podporoval domněnku, že je spojení mezi lokálním prokrvením, které bylo detekováno prostřednictvím sluchu, a mozkovou funkcí (zraková úloha), která je zpracovávána v místě zvýšení prokrvení. Využití radiofarmak
Přímé zobrazení prokrvení mozkových oblastí, které by ukazovalo na zvýšený přísun krve k pracujícím mozkovým oblastem, bylo možné až s rozvojem aplikace bezpečných radiofarmak a jejich detekce. Měření regionálního krevního prokrvení bylo uskutečněno skandinávskou skupinou vědců pod vedením Davida Ingvara a Neilse Larsena v 60. letech. Ti měřili regionální krevní průtok u lidí za použití nitrožilní aplikace radioaktivního kryptonu (85Kr) a později aplikace izotopu xenonu (133Xe). Záření bylo detekováno pomocí 16 a později 32 scintilačních detektorů obklopujících hlavu vyšetřovaného. Intenzita záření odpovídala intenzitě průtoku a její lokalizace typu zadané úlohy během vyšetření. Tato skupina ukázala, že spolu se změnami v mozkové aktivitě lidí dochází ke změně krevního průtoku v mozku. Vyšetřování regionálního průtoku krve znamenalo velký pokrok. Slabinou vyšetření zůstávala skutečnost, že šlo o sumaci záření, a nebyla tak možná přesná prostorová lokalizace.
V roce 1973 Gofrey Hounsfield použil poprvé počítačovou tomografii. Této metody se od počátku užívalo především k zobrazení struktur mozku, a bylo tak možné i u menších poškození porovnávat lokalizaci s funkčním poškozením mozku (moderní užití prvního přístupu mapování mozkových funkcí). Již od počátku vzniku této metody bylo zkoušeno rychlé sekvenční zobrazení za použití radiodenzních látek, které by umožňovaly vyšetření dynamických a fyziologických procesů. Nejdříve byl používán jodový kontrastní roztok. V roce 1977 však Winkler a spol. použili inhalaci stabilního xenonu jako kontrastní látky pro tzv. dynamické CT. Xenon jako inertní plyn proniká z plic do krevního oběhu a mozkového krevního řečiště. Distribuce a intenzita xenonu tak závisela na prokrvení mozku a to bylo zase závislé na stavu mysli během vyšetření. Koncem 70. a počátkem 80. let byly rozvinuty metody pro měření regionálního mozkového prokrvení s použitím inhalovaného xenonu a CT.
V roce 1974 vstoupila na scénu zobrazovacích metod pozitronová emisní tomografie (PET). PET využívá pozitronových zářičů vyrobených v cyklotronu. Ty jsou navázány na biologicky aktivní látky, které jsou pacientovi aplikovány nejčastěji nitrožilně. Autoradiografické techniky měření krevního průtoku a glukózového metabolismu, které byly používány u laboratorních zvířat, tak mohly být nyní provedeny i u lidí. Metabolismus glukózy se nejčastěji měří pomocí izotopu fluoru (18F), jehož dlouhý poločas (120 minut) však nedovoluje rychlou registraci změn metabolismu během různých mentálních aktivit. Daleko vhodnější je izotop kyslíku (15O) s poločasem 2,11 minuty. Za použití H215O tak lze měřit změny perfuze s časovým rozlišením od cca 45 sekund. Raichle a spol. použili tuto techniku, jenž je nazývána autoradiografickou technikou, u lidí za použití 15O značené vody k zobrazení oblastí aktivních během senzorické a kognitivní úlohy. Od konce 80. let je možné pomocí PET radioligandů studovat také aktivitu mozkových receptorů in vivo, a tak usuzovat na jejich množství či množství neurotransmiterů a studovat jejich vzájemné změny po aplikaci psychoaktivních látek či během provádění různých úloh. Tak bylo např. zjištěno, že při sledování videohry dochází k masivnímu vyplavování dopaminu v oblasti nc. accumbens, což vede k pocitu odměny a možnému nebezpečí závislosti obdobně jako po některých psychoaktivních látkách.
Díky technickému zdokonalení detekčních systémů a vývoji tzv. kumulativních radiofarmak značených izotopy s větší energií ve srovnání s difuzibilním 133Xe se začalo v klinickém výzkumu hojně využívat i jednofotonové emisní počítačové tomografie (SPECT). Tato metoda dovoluje kvantifikaci, zobrazení regionálního mozkového průtoku i neurotransmiterových dějů s horší rozlišovací schopností ve srovnání s PET, ale s výrazně nižšími náklady na provoz.
NMR, EEG a další metody
Nedlouho po uvedení CT do klinického užívání se rodina strukturálních zobrazovacích metod rozrostla o další techniku. Byla jí nukleární magnetická rezonance (NMR). Zpočátku NMR poskytovala velice kvalitní anatomické obrázky, na kterých se dala na rozdíl od CT odlišit šedá a bílá hmota mozková, neukazovala však žádná data o metabolismu či prokrvení mozku. Informace o změnách prokrvení během motorické, senzorické či neuropsychologické aktivace získané díky funkční magnetické rezonanci (fMR) jsou dostupné od počátku 90. let (viz obr. 1). Tato metoda využívá pozorování Paulinga a Coryella z roku 1936 o rozdílných magnetických vlastnostech oxy- a deoxyhemoglobinu a není při ní nutné aplikovat kontrastní látku.
Od 30. let 20. století se rozvíjí měření elektrické aktivity mozku - EEG, které poprvé uskutečnil německý psychiatr Hans Berger. EEG se využívá především k diagnostice epileptických záchvatů a některých poruch spánku. Pro svou špatnou prostorovou rozlišovací schopnost a možná i vizuálně nepoutavou prezentaci záznamu nebyla EEG dlouhou dobu řazena mezi funkční zobrazovací metody. Koncept mapování elektrické mozkové aktivity (Brain Electrical Activity Mapping - BEAM) byl objeven Frankem H. Duffym a N. Davidem Culverem v 70. letech. BEAM systém detekuje mozkovou aktivitu s použitím stejné techniky jako klasická EEG. Na rozdíl od tradičního záznamu EEG - „vlnovky na běžícím papíru“ - vytváří BEAM barevně kódovanou grafickou reprezentaci jednotlivých frekvenčních pásem a ukazuje jejich topickou distribuci na modelu hlavy. V posledních letech pak díky rozvoji počítačů, programového vybavení, statistickému zpracování a výborné časové rozlišovací schopnosti zažívá EEG opět „comeback“ mezi výzkumné metody. Z nově zjišťovaných parametrů jmenujme např. koherence, jež ukazují, do jaké míry je aktivita mezi jednotlivými svody obdobná a které oblasti mozku spolu pravděpodobně spolupracují. Elektrofyziologické metody mají velkou výhodu ve velmi dobré časové rozlišovací schopnosti (milisekundy), mají však horší rozlišovací schopnost prostorovou. Především proto, že skalpový záznam je sumací potenciálů, obdobně jako je RTG snímek sumací záření s obrázkem v 2D projekci. Prostorové rozlišení EEG je však výrazně lepší při použití sofistikovaného softwaru v systému LORETA (Low Resolution Electromagnetic Tomography), který umožňuje zaznamenat z klasického EEG záznamu elektrickou aktivitu v tomografickém formátu obdobném CT (viz obr. 2 a 3).
Rozvíjí se i magnetoencefalografie (MEG) či funkční blízko-infračervená spektroskopie (NIRS), jejichž hlavní charakteristiky jsou uvedeny spolu s ostatními metodami v tabulce.
Na prahu třetího tisíciletí jsou neurovědcům včetně psychiatrů k dispozici vysoce sofistikované metody dovolující mapovat mozkové funkce lidí neinvazivním způsobem. Mimo MEG a NIRS jsou všechny dostupné i badatelům českým. Psychiatrické centrum Praha
Literatura:
Kopeček M. Funkční zobrazovací metody v neuropsychiatrii: metody, možnosti a omezení. Psychiatrie 2001, 2, 87-94.
Kopeček M, Štorková P, Kožený J, Preiss M, Novák T, Dockery C, Horáček J. Vliv rTMS mozečku na výkon v testu generování slov - pilotní studie. Psychiatrie 2004;8 (Suppl.3), 52-56.
Kopeček M, Bareš M, Brunovský M, Horáček J. 18FDG PET imaging of chronic depersonalization and derealization syndrome. A case study. Psychiatrie 2004, 8(4)321-325.
Koukolík F. Vybrané přednášky o vztahu mozku a chování. Karolinum, Praha 1995.
Kulišťák P. Neuropsychologie. Portál, Praha 2003.
Marcus E. Reichle. Behind the scenes of functional brain imaging: A historical and physiological perspektive. Proc Natl Acad Sci USA. 1998 3; 95(3): 765-772.Počátkem 19. století přišel vídeňský anatom Franz Joseph Gall se dvěma myšlenkami: 1. Mentální procesy vznikají v mozku a ne v oddělené entitě nazývané „duše“. 2. Tyto procesy vznikají ve funkčně oddělených částech mozku (mozkových centrech). U každého jedince v závislosti na jeho rysech osobnosti a duševních schopnostech tato mozková centra zbytňují či ubývají a na odpovídajících místech lze na lebce nahmatat hrbolky či propadliny. Tak lze palpací zjistit osobnostní a duševní schopnosti vyšetřovaného. Tato teorie se později začala označovat jako frenologie. Vyšetřování charakteru jedince pohmatem jeho lebky se ukázalo nesmyslné, myšlenka o lokalizaci mozkových funkcí se však později potvrzovala.
Znalosti o lokalizaci mozkových funkcí u člověka se zpočátku získávaly především na jednotlivcích s mozkovými úrazy či příhodami, které vedly k poruchám hybnosti, smyslů či ztrátě určité mentální funkce. Protože je mozek velmi dobře kryt lebkou, byla lokalizace postižených mozkových oblastí u lidí přežívajících poranění v době, kdy nebyly k dispozici moderní zobrazovací metody jako např. počítačová tomografie (CT) či nukleární magnetická rezonance (NMR), obtížná. První popisy pocházejí většinou z pozorování pacientů, u kterých byl před smrtí zjištěn izolovaný výpad některé funkce a po smrti byla zasažená oblast detekována na pitevním stole (viz schéma).
Nejznámějším takovým příkladem je případ 51letého pacienta z útulku Bicetre, kterého odborná veřejnost zná pod přezdívkou Tan-Tan. Tento pacient se v roce 1861 dostal na chirurgické oddělení do péče Paula Pierra Brocy. Komunikoval pouze pomocí gest a opakovaného bezvýznamného zvuku „tan“. Mluvené řeči přitom rozuměl a po rozumové stránce byl v pořádku. Schopnost plynulé řeči ztratil kolem 30 let a později mu postupně ochrnula pravá ruka a noha. Na chirurgickém oddělení nakonec zemřel a pitval ho Broca. Zjistil výrazné porušení mozkové tkáně velikosti vejce v levém čelním laloku a dospěl k závěru, že poškození této části mozku vedlo ke ztrátě schopnosti mluvit a později i k ochrnutí. Oblast levého čelního laloku byla prohlášena za centrum řeči a na počest autora popisu je toto místo nazýváno Brocova oblast. Nutno podotknout, že před Brocou obdobný jev pozorovali Jean Baptiste Bouillaud (1825), Marc Dax (1836) a Ernest Auburtin (1861). Ačkoliv ti pozorovali podobné změny (venkovský lékař Dax u 40 pacientů s afázií po postižení levé mozkové hemisféry), svá pozorování nepublikovali či jim neudělali dostatečnou publicitu, a tak je znám především Paul Broca.
V roce 1874 popsal Carl Wernicke podle pitevních nálezů poškození levých spánkových oblastí, které bylo spojeno se ztrátou porozumění řeči. Její produkce však postižena nebyla (senzorická afázie - Wernickeova afázie). Tak byla popsána dvě důležitá centra pro správnou funkci řeči: 1. motorické - důležité pro tvorbu, skladbu a plynulost řeči a 2. senzorické - důležité pro porozumění řeči. V současnosti víme, že toto dělení je výrazně zjednodušené.
Později bylo mnoho poznatků o lokalizaci mozkových funkcí získáno především „díky“ válečným invalidům, kteří utrpěli poranění hlavy a úraz přežili. Pacienti byli podrobováni postupně se zdokonalujícím neuropsychologickým testům zaměřeným na vyšší nervové funkce a postižení detekovaných funkcí bylo dáváno do souvislosti s poškozenou oblastí mozku. Tato oblast výzkumu byla jednou z domén vznikající neuropsychologie a rozvinula se především v Německu a později ve Spojených státech a bývalém Sovětském svazu. Výzkum byl tak plodný, že dnes můžeme pomocí neuropsychologických testů, jako jsou například Wiskonsinský test třídění karet či Stroopův test, zachytit pokles ve výkonu u 65 %, resp. 31 % pacientů s frontální lézí (senzitivita) a vyloučit správně 61 %, resp. 96 % zdravých jedinců bez frontální léze (specificita). Jen pro srovnání, senzitivita EKG pro stanovení akutního infarktu myokardu se pohybuje mezi 35-57 % a specificita v rozmezí 73-87 %.
Všechny výše uvedené příklady můžeme zařadit do prvního přístupu, jak lze mapovat vyšší nervovou činnost u lidí (viz schéma). Přesně lokalizované poškození mozku vede k rozpoznatelnému výpadu či porušení některé mozkové funkce. Modifikací prvního přístupu je lokální stimulace mozku a sledování funkční odezvy. Jedním z průkopníků tohoto přístupu byl německý lékař Eduard Hitzig, který v 60. letech 19. století stimuloval mozkovou kůru pacientů, u kterých došlo vlivem traumatu ke ztrátě lebních kostí. Ke stimulaci použil dráty a baterie. Hitzig zjistil, že slabý elektrický stimulus aplikovaný v zadních partiích mozku vede k pohybům očí. Tento přístup dosáhl svého rozkvětu ve 40. letech 20. století a je spojen se jménem Wildera Penfielda. Ten prováděl stimulace mozkové kůry elektrickým proudem u pacientů s epilepsií s cílem lokalizovat epileptické ložisko. Pacienti byli během operace bdělí (samotný mozek je paradoxně k bolesti necitlivý), a tak mohli Penfieldovi „on line“ sdělovat své pocity. Dráždění některých mozkových oblastí vedlo např. k pohybu končetin, tělesným pocitům, ale i emočním prožitkům, vybavení vzpomínek, pocitu vnímání písně či pocitu zápachu spáleného toastu. Penfieldovi vděčíme za schéma motorické a senzorické kůry (známý obrázek tzv. homunkula, který je však z dnešního pohledu iluzorním a zjednodušeným modelem), ale především za poznatek, že epizodická paměť sídlí v temporálním laloku. Stejným způsobem bylo nedávno zjištěno, že stimulace v okolí gyrus angularis (Brodmanova area - BA 40) vedla k „mimotělním zážitkům“ (out-of-body experiences), které prožívají někteří pacienti s ložiskem epilepsie v této oblasti. Pacienti v bdělém stavu mají pocit, že vidí své tělo a svět z pozice mimo své tělo (z tzv. parasomatické vizuo-prostorové perspektivy). Podobným fenoménem je autoskopie, což je vidění svého těla v extrapersonálním prostoru (ze své osobní vizuo-prostorové perspektivy). Tento přístup je invazivní a jeho aplikace na lidech jsou omezené na pacienty, kteří se podrobují operaci mozku.
Od 90. let 20. století se však k mapování mozkových funkcí používá též neinvazivní stimulační metody, transkraniální magnetické stimulace (TMS). Tato metoda využívá silné magnetické pulzní pole (1-2,5 T), které se šíří z přiložené cívky nad hlavou až k mozku, ve kterém (jakožto vodiči 2. stupně) vede ke vzniku elektrických proudů a podle zvolených parametrů ke stimulaci či inhibici neuronů do vzdálenosti 2-3 cm od cívky (viz též článek P. Mohra). Opakovaná aplikace pulzního magnetického pole nazývaná repetitivní (rTMS) vedla např. během aplikace nad kšticí v oblasti fronto-temporální oblasti k dočasné zástavě řeči (po dobu aplikace) u zdravých dobrovolníků, obdobně jako je tomu u pacientů s afázií. Tento efekt rTMS je někdy označován jako tzv. virtuální léze. Virtuální lézi či narušení zpracování některých informací lze vyvolat z různých oblastí mozku s různým časovým odstupem, a tak lze díky rTMS mapovat i časově-lokalizační posloupnost zpracování informací. Ovlivnění dané oblasti rTMS nemusí vést vždy k výpadu normální funkce, ale i k útlumu patologické abnormity, jako je tomu v případu sluchových halucinací či tinnitu. Lákavý se zdá i opačný postup, a to stimulace mozkové kůry rTMS. Stimulace čelních laloků rTMS se opakovaně ukázala stejně účinná jako elektrokonvulze v léčbě depresivní poruchy bez psychotických příznaků. Mozková aktivita a její projevy
Druhý přístup mapování mozkových funkcí u lidí je vlastně obrácením prvního přístupu. Sledujeme, jak je určitá funkce spojena s aktivitou mozkové kůry (schéma). Zde však narážíme na problém, jak sledovat aktivitu mozkové kůry, která je dobře skryta v lebce. A tak první pozorování byla uskutečněna opět na pacientech s defektem lebních kostí. V druhé polovině 19. století tyto pacienty sledoval italský fyziolog Angelo Mosso a registroval jejich pohyby cév na povrchu mozku. Mosso si všiml, že k lokálnímu zvýšení pulzace došlo vždy bezprostředně poté, co postižený jedinec začal mluvit či začal usilovně přemýšlet při řešení obtížné úlohy. Svá pozorování uzavřel tvrzením, že mozková cirkulace se selektivně mění spolu s aktivitou neuronů. Také zmíněný Paul Pierre Broca se zajímal o oběhové změny spojené s duševní činností, které by se odrážely ve změnách mozkové teploty. Broca studoval účinek různých mentálních aktivit, zvláště pak řeči, na lokální teplotu skalpu. Měřením teploty se zabývali i Angelo Mosso a Hans Berger, který stál později u zrodu elektroencefalografie. I když snaha o sledování tepelných změn jako ukazatele mozkové činnosti se v současnosti může zdát na první pohled pošetilá, ukazuje se, že termoencefaloskopie může být užitečným nástrojem v neurovědách a medicíně i v přítomnosti. Zájem o spojení mezi prokrvením, metabolismem mozku a jeho funkcí opadl v první čtvrtině 20. století. Nepochybně to bylo způsobeno vlivem nedostatečně sofistikovaných nástrojů k pokračování v tomto druhu výzkumu. Navíc práce profesora Leonarda Hilla, člena anglické Královské koleje chirurgů, která vedla k závěru, že není vztah mezi mozkovou funkcí a mozkovým oběhem, měla na další bádání v tomto směru negativní vliv. V roce 1928 uveřejnil John Fulton v časopise Brain případ pacienta s postupnou ztrátou zraku. Příčinou byla AV malformace v týlních oblastech šedé kůry mozkové. Operační zákrok byl neúspěšný a pacientovi zůstal kostní defekt v týlní oblasti. AV malformace způsobovala průtokový šelest, který byl slyšet vždy, když byl pacient podroben zrakové úloze. Na základě tohoto poznatku prováděl Fulton detailní vyšetřování chování šelestu, který mohl poslouchat a zaznamenávat změny prokrvení nad týlními oblastmi mozku. Nápadné konzistentní změny v charakteru šelestu byly zaznamenány vždy v souvislosti s vizuálními aktivitami pacienta. Otevření očí znamenalo pouze malé zvýšení šelestu, zatímco čtení způsobovalo značné zvýšení šelestu. Tento případ podporoval domněnku, že je spojení mezi lokálním prokrvením, které bylo detekováno prostřednictvím sluchu, a mozkovou funkcí (zraková úloha), která je zpracovávána v místě zvýšení prokrvení. Využití radiofarmak
Přímé zobrazení prokrvení mozkových oblastí, které by ukazovalo na zvýšený přísun krve k pracujícím mozkovým oblastem, bylo možné až s rozvojem aplikace bezpečných radiofarmak a jejich detekce. Měření regionálního krevního prokrvení bylo uskutečněno skandinávskou skupinou vědců pod vedením Davida Ingvara a Neilse Larsena v 60. letech. Ti měřili regionální krevní průtok u lidí za použití nitrožilní aplikace radioaktivního kryptonu (85Kr) a později aplikace izotopu xenonu (133Xe). Záření bylo detekováno pomocí 16 a později 32 scintilačních detektorů obklopujících hlavu vyšetřovaného. Intenzita záření odpovídala intenzitě průtoku a její lokalizace typu zadané úlohy během vyšetření. Tato skupina ukázala, že spolu se změnami v mozkové aktivitě lidí dochází ke změně krevního průtoku v mozku. Vyšetřování regionálního průtoku krve znamenalo velký pokrok. Slabinou vyšetření zůstávala skutečnost, že šlo o sumaci záření, a nebyla tak možná přesná prostorová lokalizace.
V roce 1973 Gofrey Hounsfield použil poprvé počítačovou tomografii. Této metody se od počátku užívalo především k zobrazení struktur mozku, a bylo tak možné i u menších poškození porovnávat lokalizaci s funkčním poškozením mozku (moderní užití prvního přístupu mapování mozkových funkcí). Již od počátku vzniku této metody bylo zkoušeno rychlé sekvenční zobrazení za použití radiodenzních látek, které by umožňovaly vyšetření dynamických a fyziologických procesů. Nejdříve byl používán jodový kontrastní roztok. V roce 1977 však Winkler a spol. použili inhalaci stabilního xenonu jako kontrastní látky pro tzv. dynamické CT. Xenon jako inertní plyn proniká z plic do krevního oběhu a mozkového krevního řečiště. Distribuce a intenzita xenonu tak závisela na prokrvení mozku a to bylo zase závislé na stavu mysli během vyšetření. Koncem 70. a počátkem 80. let byly rozvinuty metody pro měření regionálního mozkového prokrvení s použitím inhalovaného xenonu a CT.
V roce 1974 vstoupila na scénu zobrazovacích metod pozitronová emisní tomografie (PET). PET využívá pozitronových zářičů vyrobených v cyklotronu. Ty jsou navázány na biologicky aktivní látky, které jsou pacientovi aplikovány nejčastěji nitrožilně. Autoradiografické techniky měření krevního průtoku a glukózového metabolismu, které byly používány u laboratorních zvířat, tak mohly být nyní provedeny i u lidí. Metabolismus glukózy se nejčastěji měří pomocí izotopu fluoru (18F), jehož dlouhý poločas (120 minut) však nedovoluje rychlou registraci změn metabolismu během různých mentálních aktivit. Daleko vhodnější je izotop kyslíku (15O) s poločasem 2,11 minuty. Za použití H215O tak lze měřit změny perfuze s časovým rozlišením od cca 45 sekund. Raichle a spol. použili tuto techniku, jenž je nazývána autoradiografickou technikou, u lidí za použití 15O značené vody k zobrazení oblastí aktivních během senzorické a kognitivní úlohy. Od konce 80. let je možné pomocí PET radioligandů studovat také aktivitu mozkových receptorů in vivo, a tak usuzovat na jejich množství či množství neurotransmiterů a studovat jejich vzájemné změny po aplikaci psychoaktivních látek či během provádění různých úloh. Tak bylo např. zjištěno, že při sledování videohry dochází k masivnímu vyplavování dopaminu v oblasti nc. accumbens, což vede k pocitu odměny a možnému nebezpečí závislosti obdobně jako po některých psychoaktivních látkách.
Díky technickému zdokonalení detekčních systémů a vývoji tzv. kumulativních radiofarmak značených izotopy s větší energií ve srovnání s difuzibilním 133Xe se začalo v klinickém výzkumu hojně využívat i jednofotonové emisní počítačové tomografie (SPECT). Tato metoda dovoluje kvantifikaci, zobrazení regionálního mozkového průtoku i neurotransmiterových dějů s horší rozlišovací schopností ve srovnání s PET, ale s výrazně nižšími náklady na provoz.
NMR, EEG a další metody
Nedlouho po uvedení CT do klinického užívání se rodina strukturálních zobrazovacích metod rozrostla o další techniku. Byla jí nukleární magnetická rezonance (NMR). Zpočátku NMR poskytovala velice kvalitní anatomické obrázky, na kterých se dala na rozdíl od CT odlišit šedá a bílá hmota mozková, neukazovala však žádná data o metabolismu či prokrvení mozku. Informace o změnách prokrvení během motorické, senzorické či neuropsychologické aktivace získané díky funkční magnetické rezonanci (fMR) jsou dostupné od počátku 90. let (viz obr. 1). Tato metoda využívá pozorování Paulinga a Coryella z roku 1936 o rozdílných magnetických vlastnostech oxy- a deoxyhemoglobinu a není při ní nutné aplikovat kontrastní látku.
Od 30. let 20. století se rozvíjí měření elektrické aktivity mozku - EEG, které poprvé uskutečnil německý psychiatr Hans Berger. EEG se využívá především k diagnostice epileptických záchvatů a některých poruch spánku. Pro svou špatnou prostorovou rozlišovací schopnost a možná i vizuálně nepoutavou prezentaci záznamu nebyla EEG dlouhou dobu řazena mezi funkční zobrazovací metody. Koncept mapování elektrické mozkové aktivity (Brain Electrical Activity Mapping - BEAM) byl objeven Frankem H. Duffym a N. Davidem Culverem v 70. letech. BEAM systém detekuje mozkovou aktivitu s použitím stejné techniky jako klasická EEG. Na rozdíl od tradičního záznamu EEG - „vlnovky na běžícím papíru“ - vytváří BEAM barevně kódovanou grafickou reprezentaci jednotlivých frekvenčních pásem a ukazuje jejich topickou distribuci na modelu hlavy. V posledních letech pak díky rozvoji počítačů, programového vybavení, statistickému zpracování a výborné časové rozlišovací schopnosti zažívá EEG opět „comeback“ mezi výzkumné metody. Z nově zjišťovaných parametrů jmenujme např. koherence, jež ukazují, do jaké míry je aktivita mezi jednotlivými svody obdobná a které oblasti mozku spolu pravděpodobně spolupracují. Elektrofyziologické metody mají velkou výhodu ve velmi dobré časové rozlišovací schopnosti (milisekundy), mají však horší rozlišovací schopnost prostorovou. Především proto, že skalpový záznam je sumací potenciálů, obdobně jako je RTG snímek sumací záření s obrázkem v 2D projekci. Prostorové rozlišení EEG je však výrazně lepší při použití sofistikovaného softwaru v systému LORETA (Low Resolution Electromagnetic Tomography), který umožňuje zaznamenat z klasického EEG záznamu elektrickou aktivitu v tomografickém formátu obdobném CT (viz obr. 2 a 3).
Rozvíjí se i magnetoencefalografie (MEG) či funkční blízko-infračervená spektroskopie (NIRS), jejichž hlavní charakteristiky jsou uvedeny spolu s ostatními metodami v tabulce.
Na prahu třetího tisíciletí jsou neurovědcům včetně psychiatrů k dispozici vysoce sofistikované metody dovolující mapovat mozkové funkce lidí neinvazivním způsobem. Mimo MEG a NIRS jsou všechny dostupné i badatelům českým. Psychiatrické centrum Praha
Literatura:
Kopeček M. Funkční zobrazovací metody v neuropsychiatrii: metody, možnosti a omezení. Psychiatrie 2001, 2, 87-94.
Kopeček M, Štorková P, Kožený J, Preiss M, Novák T, Dockery C, Horáček J. Vliv rTMS mozečku na výkon v testu generování slov - pilotní studie. Psychiatrie 2004;8 (Suppl.3), 52-56.
Kopeček M, Bareš M, Brunovský M, Horáček J. 18FDG PET imaging of chronic depersonalization and derealization syndrome. A case study. Psychiatrie 2004, 8(4)321-325.
Koukolík F. Vybrané přednášky o vztahu mozku a chování. Karolinum, Praha 1995.
Kulišťák P. Neuropsychologie. Portál, Praha 2003.
Marcus E. Reichle. Behind the scenes of functional brain imaging: A historical and physiological perspektive. Proc Natl Acad Sci USA. 1998 3; 95(3): 765-772. U každého jedince v závislosti na jeho rysech osobnosti a duševních schopnostech tato mozková centra zbytňují či ubývají a na odpovídajících místech lze na lebce nahmatat hrbolky či propadliny. Tak lze palpací zjistit osobnostní a duševní schopnosti vyšetřovaného. Tato teorie se později začala označovat jako frenologie. Vyšetřování charakteru jedince pohmatem jeho lebky se ukázalo nesmyslné, myšlenka o lokalizaci mozkových funkcí se však později potvrzovala.
Znalosti o lokalizaci mozkových funkcí u člověka se zpočátku získávaly především na jednotlivcích s mozkovými úrazy či příhodami, které vedly k poruchám hybnosti, smyslů či ztrátě určité mentální funkce. Protože je mozek velmi dobře kryt lebkou, byla lokalizace postižených mozkových oblastí u lidí přežívajících poranění v době, kdy nebyly k dispozici moderní zobrazovací metody jako např. počítačová tomografie (CT) či nukleární magnetická rezonance (NMR), obtížná. První popisy pocházejí většinou z pozorování pacientů, u kterých byl před smrtí zjištěn izolovaný výpad některé funkce a po smrti byla zasažená oblast detekována na pitevním stole (viz schéma).
Nejznámějším takovým příkladem je případ 51letého pacienta z útulku Bicetre, kterého odborná veřejnost zná pod přezdívkou Tan-Tan. Tento pacient se v roce 1861 dostal na chirurgické oddělení do péče Paula Pierra Brocy. Komunikoval pouze pomocí gest a opakovaného bezvýznamného zvuku „tan“. Mluvené řeči přitom rozuměl a po rozumové stránce byl v pořádku. Schopnost plynulé řeči ztratil kolem 30 let a později mu postupně ochrnula pravá ruka a noha. Na chirurgickém oddělení nakonec zemřel a pitval ho Broca. Zjistil výrazné porušení mozkové tkáně velikosti vejce v levém čelním laloku a dospěl k závěru, že poškození této části mozku vedlo ke ztrátě schopnosti mluvit a později i k ochrnutí. Oblast levého čelního laloku byla prohlášena za centrum řeči a na počest autora popisu je toto místo nazýváno Brocova oblast. Nutno podotknout, že před Brocou obdobný jev pozorovali Jean Baptiste Bouillaud (1825), Marc Dax (1836) a Ernest Auburtin (1861). Ačkoliv ti pozorovali podobné změny (venkovský lékař Dax u 40 pacientů s afázií po postižení levé mozkové hemisféry), svá pozorování nepublikovali či jim neudělali dostatečnou publicitu, a tak je znám především Paul Broca.
V roce 1874 popsal Carl Wernicke podle pitevních nálezů poškození levých spánkových oblastí, které bylo spojeno se ztrátou porozumění řeči. Její produkce však postižena nebyla (senzorická afázie - Wernickeova afázie). Tak byla popsána dvě důležitá centra pro správnou funkci řeči: 1. motorické - důležité pro tvorbu, skladbu a plynulost řeči a 2. senzorické - důležité pro porozumění řeči. V současnosti víme, že toto dělení je výrazně zjednodušené.
Později bylo mnoho poznatků o lokalizaci mozkových funkcí získáno především „díky“ válečným invalidům, kteří utrpěli poranění hlavy a úraz přežili. Pacienti byli podrobováni postupně se zdokonalujícím neuropsychologickým testům zaměřeným na vyšší nervové funkce a postižení detekovaných funkcí bylo dáváno do souvislosti s poškozenou oblastí mozku. Tato oblast výzkumu byla jednou z domén vznikající neuropsychologie a rozvinula se především v Německu a později ve Spojených státech a bývalém Sovětském svazu. Výzkum byl tak plodný, že dnes můžeme pomocí neuropsychologických testů, jako jsou například Wiskonsinský test třídění karet či Stroopův test, zachytit pokles ve výkonu u 65 %, resp. 31 % pacientů s frontální lézí (senzitivita) a vyloučit správně 61 %, resp. 96 % zdravých jedinců bez frontální léze (specificita). Jen pro srovnání, senzitivita EKG pro stanovení akutního infarktu myokardu se pohybuje mezi 35-57 % a specificita v rozmezí 73-87 %.
Všechny výše uvedené příklady můžeme zařadit do prvního přístupu, jak lze mapovat vyšší nervovou činnost u lidí (viz schéma). Přesně lokalizované poškození mozku vede k rozpoznatelnému výpadu či porušení některé mozkové funkce. Modifikací prvního přístupu je lokální stimulace mozku a sledování funkční odezvy. Jedním z průkopníků tohoto přístupu byl německý lékař Eduard Hitzig, který v 60. letech 19. století stimuloval mozkovou kůru pacientů, u kterých došlo vlivem traumatu ke ztrátě lebních kostí. Ke stimulaci použil dráty a baterie. Hitzig zjistil, že slabý elektrický stimulus aplikovaný v zadních partiích mozku vede k pohybům očí. Tento přístup dosáhl svého rozkvětu ve 40. letech 20. století a je spojen se jménem Wildera Penfielda. Ten prováděl stimulace mozkové kůry elektrickým proudem u pacientů s epilepsií s cílem lokalizovat epileptické ložisko. Pacienti byli během operace bdělí (samotný mozek je paradoxně k bolesti necitlivý), a tak mohli Penfieldovi „on line“ sdělovat své pocity. Dráždění některých mozkových oblastí vedlo např. k pohybu končetin, tělesným pocitům, ale i emočním prožitkům, vybavení vzpomínek, pocitu vnímání písně či pocitu zápachu spáleného toastu. Penfieldovi vděčíme za schéma motorické a senzorické kůry (známý obrázek tzv. homunkula, který je však z dnešního pohledu iluzorním a zjednodušeným modelem), ale především za poznatek, že epizodická paměť sídlí v temporálním laloku. Stejným způsobem bylo nedávno zjištěno, že stimulace v okolí gyrus angularis (Brodmanova area - BA 40) vedla k „mimotělním zážitkům“ (out-of-body experiences), které prožívají někteří pacienti s ložiskem epilepsie v této oblasti. Pacienti v bdělém stavu mají pocit, že vidí své tělo a svět z pozice mimo své tělo (z tzv. parasomatické vizuo-prostorové perspektivy). Podobným fenoménem je autoskopie, což je vidění svého těla v extrapersonálním prostoru (ze své osobní vizuo-prostorové perspektivy). Tento přístup je invazivní a jeho aplikace na lidech jsou omezené na pacienty, kteří se podrobují operaci mozku.
Od 90. let 20. století se však k mapování mozkových funkcí používá též neinvazivní stimulační metody, transkraniální magnetické stimulace (TMS). Tato metoda využívá silné magnetické pulzní pole (1-2,5 T), které se šíří z přiložené cívky nad hlavou až k mozku, ve kterém (jakožto vodiči 2. stupně) vede ke vzniku elektrických proudů a podle zvolených parametrů ke stimulaci či inhibici neuronů do vzdálenosti 2-3 cm od cívky (viz též článek P. Mohra). Opakovaná aplikace pulzního magnetického pole nazývaná repetitivní (rTMS) vedla např. během aplikace nad kšticí v oblasti fronto-temporální oblasti k dočasné zástavě řeči (po dobu aplikace) u zdravých dobrovolníků, obdobně jako je tomu u pacientů s afázií. Tento efekt rTMS je někdy označován jako tzv. virtuální léze. Virtuální lézi či narušení zpracování některých informací lze vyvolat z různých oblastí mozku s různým časovým odstupem, a tak lze díky rTMS mapovat i časově-lokalizační posloupnost zpracování informací. Ovlivnění dané oblasti rTMS nemusí vést vždy k výpadu normální funkce, ale i k útlumu patologické abnormity, jako je tomu v případu sluchových halucinací či tinnitu. Lákavý se zdá i opačný postup, a to stimulace mozkové kůry rTMS. Stimulace čelních laloků rTMS se opakovaně ukázala stejně účinná jako elektrokonvulze v léčbě depresivní poruchy bez psychotických příznaků. Mozková aktivita a její projevy
Druhý přístup mapování mozkových funkcí u lidí je vlastně obrácením prvního přístupu. Sledujeme, jak je určitá funkce spojena s aktivitou mozkové kůry (schéma). Zde však narážíme na problém, jak sledovat aktivitu mozkové kůry, která je dobře skryta v lebce. A tak první pozorování byla uskutečněna opět na pacientech s defektem lebních kostí. V druhé polovině 19. století tyto pacienty sledoval italský fyziolog Angelo Mosso a registroval jejich pohyby cév na povrchu mozku. Mosso si všiml, že k lokálnímu zvýšení pulzace došlo vždy bezprostředně poté, co postižený jedinec začal mluvit či začal usilovně přemýšlet při řešení obtížné úlohy. Svá pozorování uzavřel tvrzením, že mozková cirkulace se selektivně mění spolu s aktivitou neuronů. Také zmíněný Paul Pierre Broca se zajímal o oběhové změny spojené s duševní činností, které by se odrážely ve změnách mozkové teploty. Broca studoval účinek různých mentálních aktivit, zvláště pak řeči, na lokální teplotu skalpu. Měřením teploty se zabývali i Angelo Mosso a Hans Berger, který stál později u zrodu elektroencefalografie. I když snaha o sledování tepelných změn jako ukazatele mozkové činnosti se v současnosti může zdát na první pohled pošetilá, ukazuje se, že termoencefaloskopie může být užitečným nástrojem v neurovědách a medicíně i v přítomnosti. Zájem o spojení mezi prokrvením, metabolismem mozku a jeho funkcí opadl v první čtvrtině 20. století. Nepochybně to bylo způsobeno vlivem nedostatečně sofistikovaných nástrojů k pokračování v tomto druhu výzkumu. Navíc práce profesora Leonarda Hilla, člena anglické Královské koleje chirurgů, která vedla k závěru, že není vztah mezi mozkovou funkcí a mozkovým oběhem, měla na další bádání v tomto směru negativní vliv. V roce 1928 uveřejnil John Fulton v časopise Brain případ pacienta s postupnou ztrátou zraku. Příčinou byla AV malformace v týlních oblastech šedé kůry mozkové. Operační zákrok byl neúspěšný a pacientovi zůstal kostní defekt v týlní oblasti. AV malformace způsobovala průtokový šelest, který byl slyšet vždy, když byl pacient podroben zrakové úloze. Na základě tohoto poznatku prováděl Fulton detailní vyšetřování chování šelestu, který mohl poslouchat a zaznamenávat změny prokrvení nad týlními oblastmi mozku. Nápadné konzistentní změny v charakteru šelestu byly zaznamenány vždy v souvislosti s vizuálními aktivitami pacienta. Otevření očí znamenalo pouze malé zvýšení šelestu, zatímco čtení způsobovalo značné zvýšení šelestu. Tento případ podporoval domněnku, že je spojení mezi lokálním prokrvením, které bylo detekováno prostřednictvím sluchu, a mozkovou funkcí (zraková úloha), která je zpracovávána v místě zvýšení prokrvení. Využití radiofarmak
Přímé zobrazení prokrvení mozkových oblastí, které by ukazovalo na zvýšený přísun krve k pracujícím mozkovým oblastem, bylo možné až s rozvojem aplikace bezpečných radiofarmak a jejich detekce. Měření regionálního krevního prokrvení bylo uskutečněno skandinávskou skupinou vědců pod vedením Davida Ingvara a Neilse Larsena v 60. letech. Ti měřili regionální krevní průtok u lidí za použití nitrožilní aplikace radioaktivního kryptonu (85Kr) a později aplikace izotopu xenonu (133Xe). Záření bylo detekováno pomocí 16 a později 32 scintilačních detektorů obklopujících hlavu vyšetřovaného. Intenzita záření odpovídala intenzitě průtoku a její lokalizace typu zadané úlohy během vyšetření. Tato skupina ukázala, že spolu se změnami v mozkové aktivitě lidí dochází ke změně krevního průtoku v mozku. Vyšetřování regionálního průtoku krve znamenalo velký pokrok. Slabinou vyšetření zůstávala skutečnost, že šlo o sumaci záření, a nebyla tak možná přesná prostorová lokalizace.
V roce 1973 Gofrey Hounsfield použil poprvé počítačovou tomografii. Této metody se od počátku užívalo především k zobrazení struktur mozku, a bylo tak možné i u menších poškození porovnávat lokalizaci s funkčním poškozením mozku (moderní užití prvního přístupu mapování mozkových funkcí). Již od počátku vzniku této metody bylo zkoušeno rychlé sekvenční zobrazení za použití radiodenzních látek, které by umožňovaly vyšetření dynamických a fyziologických procesů. Nejdříve byl používán jodový kontrastní roztok. V roce 1977 však Winkler a spol. použili inhalaci stabilního xenonu jako kontrastní látky pro tzv. dynamické CT. Xenon jako inertní plyn proniká z plic do krevního oběhu a mozkového krevního řečiště. Distribuce a intenzita xenonu tak závisela na prokrvení mozku a to bylo zase závislé na stavu mysli během vyšetření. Koncem 70. a počátkem 80. let byly rozvinuty metody pro měření regionálního mozkového prokrvení s použitím inhalovaného xenonu a CT.
V roce 1974 vstoupila na scénu zobrazovacích metod pozitronová emisní tomografie (PET). PET využívá pozitronových zářičů vyrobených v cyklotronu. Ty jsou navázány na biologicky aktivní látky, které jsou pacientovi aplikovány nejčastěji nitrožilně. Autoradiografické techniky měření krevního průtoku a glukózového metabolismu, které byly používány u laboratorních zvířat, tak mohly být nyní provedeny i u lidí. Metabolismus glukózy se nejčastěji měří pomocí izotopu fluoru (18F), jehož dlouhý poločas (120 minut) však nedovoluje rychlou registraci změn metabolismu během různých mentálních aktivit. Daleko vhodnější je izotop kyslíku (15O) s poločasem 2,11 minuty. Za použití H215O tak lze měřit změny perfuze s časovým rozlišením od cca 45 sekund. Raichle a spol. použili tuto techniku, jenž je nazývána autoradiografickou technikou, u lidí za použití 15O značené vody k zobrazení oblastí aktivních během senzorické a kognitivní úlohy. Od konce 80. let je možné pomocí PET radioligandů studovat také aktivitu mozkových receptorů in vivo, a tak usuzovat na jejich množství či množství neurotransmiterů a studovat jejich vzájemné změny po aplikaci psychoaktivních látek či během provádění různých úloh. Tak bylo např. zjištěno, že při sledování videohry dochází k masivnímu vyplavování dopaminu v oblasti nc. accumbens, což vede k pocitu odměny a možnému nebezpečí závislosti obdobně jako po některých psychoaktivních látkách.
Díky technickému zdokonalení detekčních systémů a vývoji tzv. kumulativních radiofarmak značených izotopy s větší energií ve srovnání s difuzibilním 133Xe se začalo v klinickém výzkumu hojně využívat i jednofotonové emisní počítačové tomografie (SPECT). Tato metoda dovoluje kvantifikaci, zobrazení regionálního mozkového průtoku i neurotransmiterových dějů s horší rozlišovací schopností ve srovnání s PET, ale s výrazně nižšími náklady na provoz.
NMR, EEG a další metody
Nedlouho po uvedení CT do klinického užívání se rodina strukturálních zobrazovacích metod rozrostla o další techniku. Byla jí nukleární magnetická rezonance (NMR). Zpočátku NMR poskytovala velice kvalitní anatomické obrázky, na kterých se dala na rozdíl od CT odlišit šedá a bílá hmota mozková, neukazovala však žádná data o metabolismu či prokrvení mozku. Informace o změnách prokrvení během motorické, senzorické či neuropsychologické aktivace získané díky funkční magnetické rezonanci (fMR) jsou dostupné od počátku 90. let (viz obr. 1). Tato metoda využívá pozorování Paulinga a Coryella z roku 1936 o rozdílných magnetických vlastnostech oxy- a deoxyhemoglobinu a není při ní nutné aplikovat kontrastní látku.
Od 30. let 20. století se rozvíjí měření elektrické aktivity mozku - EEG, které poprvé uskutečnil německý psychiatr Hans Berger. EEG se využívá především k diagnostice epileptických záchvatů a některých poruch spánku. Pro svou špatnou prostorovou rozlišovací schopnost a možná i vizuálně nepoutavou prezentaci záznamu nebyla EEG dlouhou dobu řazena mezi funkční zobrazovací metody. Koncept mapování elektrické mozkové aktivity (Brain Electrical Activity Mapping - BEAM) byl objeven Frankem H. Duffym a N. Davidem Culverem v 70. letech. BEAM systém detekuje mozkovou aktivitu s použitím stejné techniky jako klasická EEG. Na rozdíl od tradičního záznamu EEG - „vlnovky na běžícím papíru“ - vytváří BEAM barevně kódovanou grafickou reprezentaci jednotlivých frekvenčních pásem a ukazuje jejich topickou distribuci na modelu hlavy. V posledních letech pak díky rozvoji počítačů, programového vybavení, statistickému zpracování a výborné časové rozlišovací schopnosti zažívá EEG opět „comeback“ mezi výzkumné metody. Z nově zjišťovaných parametrů jmenujme např. koherence, jež ukazují, do jaké míry je aktivita mezi jednotlivými svody obdobná a které oblasti mozku spolu pravděpodobně spolupracují. Elektrofyziologické metody mají velkou výhodu ve velmi dobré časové rozlišovací schopnosti (milisekundy), mají však horší rozlišovací schopnost prostorovou. Především proto, že skalpový záznam je sumací potenciálů, obdobně jako je RTG snímek sumací záření s obrázkem v 2D projekci. Prostorové rozlišení EEG je však výrazně lepší při použití sofistikovaného softwaru v systému LORETA (Low Resolution Electromagnetic Tomography), který umožňuje zaznamenat z klasického EEG záznamu elektrickou aktivitu v tomografickém formátu obdobném CT (viz obr. 2 a 3).
Rozvíjí se i magnetoencefalografie (MEG) či funkční blízko-infračervená spektroskopie (NIRS), jejichž hlavní charakteristiky jsou uvedeny spolu s ostatními metodami v tabulce.
Na prahu třetího tisíciletí jsou neurovědcům včetně psychiatrů k dispozici vysoce sofistikované metody dovolující mapovat mozkové funkce lidí neinvazivním způsobem. Mimo MEG a NIRS jsou všechny dostupné i badatelům českým. Psychiatrické centrum Praha
Literatura:
Kopeček M. Funkční zobrazovací metody v neuropsychiatrii: metody, možnosti a omezení. Psychiatrie 2001, 2, 87-94.
Kopeček M, Štorková P, Kožený J, Preiss M, Novák T, Dockery C, Horáček J. Vliv rTMS mozečku na výkon v testu generování slov - pilotní studie. Psychiatrie 2004;8 (Suppl.3), 52-56.
Kopeček M, Bareš M, Brunovský M, Horáček J. 18FDG PET imaging of chronic depersonalization and derealization syndrome. A case study. Psychiatrie 2004, 8(4)321-325.
Koukolík F. Vybrané přednášky o vztahu mozku a chování. Karolinum, Praha 1995.
Kulišťák P. Neuropsychologie. Portál, Praha 2003.
Marcus E. Reichle. Behind the scenes of functional brain imaging: A historical and physiological perspektive. Proc Natl Acad Sci USA. 1998 3; 95(3): 765-772.
|
