Imagistica corticala

Manolache Oana Andreea

Seria II, Grupa 5

Imagistica corticala

► Imagistica corticala a permis progrese remarcabile in ultimii ani, datorita noilor tehnologii utilizate care folosesc diversi markeri metabolici ai activitatii cerebrale cu ajutorul metodelor derivate din fizica nucleara : masurarea variatiilor locale ale fluxului sanguin, tomografia prin emisie de pozitroni, rezonanta magnetica etc.Aceste tehnici permit vizualizarea , sub forma de harti colorate in continua modificare, a zonelor activate ale creierului in functie de intensitatea activitatilor metabolice .Se poate releva astfel gradul de participare a acestor zone diverse in activitatile perceptive sau motrice, respectiv in cadrul sarcinilor pur cognitive controlate experimental.

► Imagistica corticala implica scanarea creierului subiectilor in doua situatii experimentale si compararea activitatii cerebrale.

► Debutul imagisticii corticale se situeaza la 1900 si este legat de procedeul pneumoencefalografiei : se extragea lichidul cerebrospinal si se inlocuia cu aer, alterand densitatea relativa a creierului si a zonelor invecinate, iar cu ajutorul razelor X se puteau evidentia zonele investigate.Procedeul era extrem de riscant pentru pacienti.

► Ventriculografia a fost introdusa in 1918 de catre chirurgul american Walter Dandy. Procedeul presupunea injectarea aerului in unul sau in ambele ventricule laterale ale creierului printr-o serie de orificii foarte mici realizate in craniu sub anestezie locala. Pe aceasta cale se obtineau imagini ale sistemului ventricular al creierului. Era totusi o metoda extrem de riscanta pentru pacient din cauza hemoragiilor, infectiilor sau modificarii presiunii intracraniene.

► Angiografia a fost introdusa in 1927 de catre Edgar Moniz, profesor de neurologie din Lisabona.Prin introducerea unei substante de contrast in masa cerebrale, putea fi vizualizata cu mare precizie vascularizatia sanguina din si in jurul creierului. Tehnica s-a perfectionat in timp, iar angiografia cerebrala este utilizata si in zilele noastre.

►Tomografia computerizata. La inceput se utiliza inhalarea de xenon ca substanta de contrast, ceea ce a permis elaborarea primului model al circulatiei sanguine cerebrale. Apoi tehnologia s-a perfectionat, s-au utilizat alte variante de izotopi radioactivi si s-a putut obtine o imagine bidimensionala pe un monitor color. Pe aceasta cale, cercetatorii au obtinut imaginii ale activarii cerebrale in momentul vorbirii, citirii si perceptiei auditive sau al miscarilor voluntare.

► Edwared Hoffman si Michael Phelps au realizat primul scaner PET in 1973. Este vorba de tomografia prin emisie de pozitroni. Tehnica a fost perfectionata prin utilizarea si a altor substante de contrast ce aveau la baza oxigenul. Tehnica PET permite obtinerea de imagini ale fluxului sanguin cerebral din anumite zone. Neuronii activi colecteaza o rezerva mai mare de sange si astfel , prin imagistica functionala, se pot realiza harti zonale ale activitatii cerebrale in timpul unor sarcini cognitive.

► Imagistica prin rezonanta magnetica (MRI) utilizeaza variatiile semnalelor produse de proton in corp in conditiile in care capul pacientului este introdus intr-un camp magnetic puternic. Tehnica MRI a fost pentru prima data aplicata la om de catre Jackson in 1968.Tehnica permite masurarea efectelor magnetice foarte slabe asupra tesuturilor, ceea ce face posibila vizualizarea anatomiei organelor situate in profunzime, opace, dar, mai ales a activitatii circuitelor cerebrale. Se pot realiza sectiuni virtuale care permit vizualizarea detaliilor structurii masei cerebrale (materia cenusie, materia alba) cu precizie milimetrica.

► Imagistica functionala prin rezonanta magnetica (fMRI) s-a lansat incepand cu anii `90 si domina in prezent mijloacele de cartografiere a creierului. Noua tehnica are un caracter invaziv limitat, scazut, nu expune la radiatii si este aceesibila unei categorii mai ample de specialisti. Tehnica se bazeaza pe o descoperire care isi are originea in cercetarile lui Sherrington, si anume ca regiunile corticale active se confrunta, in anumite momente, cu o crestere sensibila a debitului circulatiei sanguine. Aceasta crestere locala si tanzitorie a debitului sanguin, si implicit, a activitatii populatiilor de neuroni din zona respectiva poate fi detectata prin f MRI datorita magnetizarii hemoglobinei din celulele rosii.

► Mai nou, tehnica f MRI este folosita si in detectarea minciunilor. Semnalele captate proiecteaza pe ecran regiunile active ale creierului si s-a constatat ca in functie de minciuna sau adevar se activeaza anumite regiuni. Tehnologie se afla intr-un stadiu incipient, dar se considera ca va deveni mult mai sigura decat vechile tehnici de detectare a minciunii

Procedura de examinare este urmatoarea : subiectii se intind pe tablia aparatului si se iau masuri menite sa impiedice miscarile care pot perturba precizia masuratorilor. Investigatia dureaza intre 15 minute si doua ore, in functie de particularitatile experimentului. In timpul investigatiei subiectii pot fi supusi unor stimulari variate : filme, sunete, mizica, mirosuri, arome, probleme cognitive, reprezentarea unor scene sau sarcini motorii cum ar fi tastarea unor butoane sau manevrarea unor joystick-uri.

► In cadrul unei scanari f MRI tipice se obtin imagini 3D ale capului subiectului la fiecare 1-2 secunde si se pot produce de la cateva sute pana la cateva mii de imagini complete la fiecare sesiune de scanare.

► S-au obtinut progrese remarcabile in studiul cresterii si dezvolatrii creierului uman de la varsta de 3 luni pana la 15 ani si au fost elaborate harti cerebrale de inalta rezolutie, s-au creat adevarate arhive ale creierului, iar utilizarea unor calculatoare puternice pemite astazi cercetatorilor sa analizeze sute de creiere, fata de doar cateva nu cu multi ani in urma. Bazele de date cu privire la creierele umane au fost standardizate si formalizate in modul de descriere, astfel incat sunt accesibile tuturor.

► Mai nou, cercatatorii inceraca sa combine diferitele tehnici in vederea obtinerii unei singure harti cerebrale prin utilizarea MRI si EEG. EEG pemite inregistrari pe o fractiune de secunda (dimensiune temporala), in timp ce MRI ofera imagini de inalta acuratete spatiala.

► O dezvolatare recenta a imagisticii cerebrale este stimularea magnetica transcaniana (TSM). Procedeul presupune amplasarea unei bobine magnetice in apropierea capului persoanei, pentru a genera un camp magnetic sub forma de impulsuri care stimuleaza celulele cerebrale, pentru a face persoana sa realizeze actiuni specifice.

► Astfel, in loc sa rugam pacientul sa-si miste degetul, bobina TMS poate dicta direct creierul pacientului sa faca acest lucru. Tehnologia este folosita pentru cartografierea proceselor motorii si vizuale.

► Pe de alta parte, unii cercetatori s-au intors la metoda rezonantei magnetice nucleare (NMR), care sta la baza MRI si f MRI. In mod obisnuit, NMR se desfasoara in doua etape : codarea semnalului si detectarea acestuia .Noile descoperiri au aratat ca utilizarea gazului xenon polarizat cu laser pentru “reamintirea” informatiilor codate si transoprtarea acestora spre o zona de detectie indepartata s-a dovedit mult mai eficienta. Separarea codarii de detectie a permis cercetatorilor sa obtina date importante referitoare la procesele chimice, psihice si biologice din creier.

Directii de cercetare

► Se constata doua directii majore de cercetare in neurostiintele contemporane prin utilizarea tehnologiilor de interfata creier – computer : de o parte sunt cercetorii care exploreaza un creier in intregime cartografiat folosind imageria unui singur neuron , iar pe de alta parte, cercetatorii care utilizaeaza imagini ale creierelor in timp ce subiectii realizeaza diferite sarcini cognitive.

► Imagistica unui singur neuron (SNI) se bazeaza pe combinarea ingineriei genetice cu tehnici de imagistica optica pentru a implanta microelectrozi in creier cu scopul de a masura activitatea unui singur neuron. Este o tehnica invaziva, vatamatoare si a fost utilizata numai pe animale.

► Cea de a doua directie de cercetare isi propune sa determine in ce masura retelele neuronale conlucreaza pentru realizarea unor sarcini mentale. Aceste studii pot fi realizate pe subiecti umani ca modele de cercetare invocata prin utilizarea unor subiecti cu boli neurologice. Daca tehnologia SNI are motivatii destul de transparent orientate spre viitor , respectiv spre interfata creier-computer prin inteligenta artificiala, iar in viitorul nu prea indepartat spre tehnologia roboticii analogice, cealalta directie de cercetare pare a fi mai apropiata de scopurile medicale si cele ale cercetarii psihologice.

Exemple de cercetari

► Dezvoltarea, perfectionarea tehnicilor de imagistica corticala are la baza perfectionarea tehnologiilor de interfata creier – computer. Cercetatorii realizeaza modele expermentale prin utilizarea microelectrozilor la nivelul masei corticale.

► In 1998, cercetatorii de la Universitatea Emory (Atlanta), impreuna cu cei de la Universitatea Tubingen (Germania) au reusit sa amplaseze un microelectrod din sticla in creierul unui barbat de 56 de ani paralizat in urma unui atac cerebral. S-a reusit ca pacientul sa controleze cursorul de pe desktop-ul calculatorului.

► Intr-o cercetare realizata la Universitatea Duke (Carolina de Nord) s-au implantat 100 de microelectrozi in creierul unei maimute si s-au utilizat semnalele inregistrate pentru a controla un brat de robot. Mai mult decat atat, aceste semnale au fost transmise prin Internet pentru a controla un brat similar de robot la Massachusetts Institute of Technology, la peste 600 km distanta.

► Un expemplu remarcabil de succes pe aceasta directie il constituie experimentul realizat de catre oamenii de stiinta din cadrul European Commission`s Joint Research Center. Ei au folosit o interfata computer-creier capabila sa interpreteze semnalele provenite de la un microelectrod implantat in creierul unui utilizator in timp ce acesta receptiona semnale provenite de la analizatori. O persoana suferind de paraplegie a fost supusa acestei investigatii si i s-a solicitat sa se gandeasca la un cub in rotatie miscandu-si bratul stang (care era paralizat) si relaxandu-l mental in pauzele dintre rotatii. Apoi pacientul a fost capabil sa controleze cursorul de pe ecran, iar dupa cateva ore a invatat sistemul (interfata) sa recunoasca starile sale mentale si a reusit sa tasteze cateva cuvinte folosind doar creierul.

► Intr-o alta cercetare, neurochirurgii de la Universitatea Brown au implantat in creierele a trei maimute macaci, in cortexul motor, cipuri continand fiecare intre 7 si 30 de microelectrozi. In timp ce maimutele utilizau joystick-urile pentru a se juca la calculator, cercetatorii au calibrat cipurile si au preluat semnalele de la electrozi pentru a controla direct obiectele de pe ecran.

► Din aceste exemple de cercetari remarcabile rezulta resursele deosebite pe care le ofera cartografia creierului de la nivelul retelelor pana la o singura celula si combinarea cu resursele tot mai ample oferite de interfata creier – computer prin intermediul nanotehnologiilor.Se pare ca, in viitor, aceste metode vor castiga tot mai mult teren atat in recuperarea neuronala, cat si in cercetarile de neuropsihologie.Dar poate sansa cea mai mare pe care o ofera nanotehnologiile este legata de posibilitatea vindecarii tumorilor cerebrale.

► Resursele pe care le ofera nanotehnologia sunt prectic infinite in viitorul apropiat.

Bibligrafie

► Anitei, M. (2007), Psihologie experimentala, Editura Polirom, Iasi