Οι φρενολόγοι κάποτε πίστεψαν ότι μπορούσαν να κατανοήσουν τον εγκέφαλο εξετάζοντας τις κοιλότητες στην επιφάνεια του κρανίου. Αν αυτό σήμερα φαίνεται τραβηγμένο, η φιλοδοξία να κατανοήσουν τον εγκέφαλο μελετώντας τον από την εξωτερική επιφάνεια του κρανίου είχε συναρπάσει πολλούς, σε όλες τις εποχές. Σήμερα είμαστε σε θέση να το επιτύχουμε πραγματικά, με την βοήθεια των σύγχρονων τεχνικών εγκεφαλικής απεικόνισης. Οι σύγχρονοι τομογράφοι χρησιμοποιούν μία ποικιλία μέσων για να μας δώσουν υπέροχες εικόνες της δομής των νευρωνικών δικτύων και των νευρικών ινών, της αιματικής ροής και του ενεργειακού μεταβολισμού στον εγκέφαλο, καθώς και των αλλαγών που παρατηρούνται στη νευρωνική δραστηριότητα, όταν κάνουμε διάφορα πράγματα.

Ο δρόμος προς τις σύγχρονες τεχνικές

Οι νευρολόγοι και οι νευροψυχολόγοι βοήθησαν πολύ στη προσπάθεια συσχέτισης συγκεκριμένων εγκεφαλικών δομών με συγκεκριμένες λειτουργίες. Οι συγκεκριμένες έρευνες στηρίχτηκαν στην συσχέτιση ιδιορρυθμιών της νόησης ή της συμπεριφοράς ασθενών, με μετρήσεις της δομής του εγκεφάλου μετά θάνατον. Με τον τρόπο αυτό ο Broca αναγνώρισε τις υπεύθυνες περιοχές της ομιλίας. Αυτή η προσέγγιση έχει πολλές επιτυχίες, αλλά και πολλούς περιορισμούς. Δε μπορούμε να στηριχτούμε στην απλή υπόθεση ότι η απώλεια μιας λειτουργίας, λόγω βλάβης σε μία περιοχή του εγκεφάλου, αντιπροσωπεύει τη φυσιολογική λειτουργία αυτής της περιοχής. Για παράδειγμα, μπορεί να προκύψει μία βλάβη επειδή εκείνη η περιοχή αποκόπηκε ή αποσυνδέθηκε από άλλες περιοχές με τις οποίες φυσιολογικά επικοινωνεί. Είναι επίσης πιθανό, εγκεφαλικές περιοχές που δεν έχουν υποστεί βλάβη, να μπορούν να αναλάβουν κάποιες λειτουργίες, που υπό φυσιολογικές συνθήκες εκτελούνται από την κατεστραμμένη περιοχή. Αυτό είναι γνωστό ως πλαστικότητα. Τέλος, ελάχιστες παθολογικές βλάβες περιορίζονται σε μία μόνο συγκεκριμένη λειτουργική περιοχή. Συνήθως δε, υπάρχει μεγάλη καθυστέρηση ανάμεσα στη χρονική στιγμή που μελετάται ο ασθενής και στην χρονική στιγμή της ανάλυσης του εγκεφάλου του, μετά θάνατον.

Οι τεχνικές της λειτουργικής εγκεφαλικής απεικόνισης αναπτύχθηκαν περίπου 30 χρόνια πριν. Η πρόσφατη ανάπτυξη των λειτουργικών απεικονιστικών τεχνικών έχει προσελκύσει την προσοχή των επιστημόνων. Οι μέθοδοι αυτές μας δίνουν τη δυνατότητα – κυριολεκτικά – να δούμε μέσα από το κρανίο και έτσι να κοιτάξουμε με προσοχή μέσα στον ανθρώπινο εγκέφαλο – καθώς σκέφτεται, μαθαίνει ή ονειρεύεται.

Πώς δουλεύουν

Οι ηλεκτροφυσιολογικές τεχνικές για την παρακολούθηση της νευρωνικής δραστηριότητας βασίζονται σε αλλαγές στο μεμβρανικό δυναμικό ενεργοποιημένων νευρώνων. Οι τεχνικές εγκεφαλικής απεικόνισης στηρίζονται στην καταγραφή μεταβολών του ενεργειακού μεταβολισμού που απαιτείται από νευρώνες εν ενεργεία.

Οι ηλεκτροχημικές συνιστώσες που μετακινούν φορτισμένα ιόντα μέσα και έξω από τους νευρώνες (που διαμεσολαβούν στα συναπτικά και στα δυναμικά ενέργειας) απαιτούν ενέργεια για τη λειτουργία τους. Η πηγή αυτής της ενέργειας είναι η οξείδωση της γλυκόζης. Η γλυκόζη και το οξυγόνο παροχετεύονται στον εγκέφαλο μέσω της εγκεφαλικής κυκλοφορίας. Μέσω του νευροαγγειακού συνδέσμου, υπάρχει μία τοπική αύξηση της εγκεφαλικής αιματικής ροής στις περιοχές που υπάρχει αυξημένη δραστηριότητα. Αυτό συμβαίνει πολύ γρήγορα. Οι σύγχρονες νευροαπεικονιστικές συσκευές μπορούν να μετρήσουν την αλλαγή που συμβαίνει τοπικά στην εγκεφαλική αιματική ροή και αυτή η μέτρηση χρησιμοποιείται ως δείκτης νευρωνικής δραστηριότητας.

Η πρώτη λειτουργική τεχνική που αναπτύχθηκε ονομάστηκε Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET). Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την ενέσιμη χορήγηση στον εξεταζόμενο, ραδιοϊσοτόπων, που προσκολλούνται σε ουσίες με βιολογικό ενδιαφέρον (όπως τα φάρμακα που προσδένονται σε υποδοχείς νευροδιαβιβαστών). Δακτύλιοι ανιχνευτών, γύρω από το κεφάλι του εξεταζόμενου, καταγράφουν το χρόνο και τη θέση γάμμα σωματιδίων που εκπέμπονται από το πυρηνικό ισότοπο, όπως διαπερνά τον εγκέφαλο και εξασθενεί. Το PET μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση μεταβολών στην τοπική εγκεφαλική αιματική ροή (CBF). Τέτοιες μετρήσεις οδήγησαν στον εντοπισμό αισθητικών, κινητικών και γνωσιακών λειτουργιών στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Το PET έχει και διάφορα μειονεκτήματα, εκ των οποίων το κυριότερο είναι ότι απαιτεί τη χορήγηση ραδιοϊσοτόπων. Αυτό σημαίνει ότι πολλοί άνθρωποι, όπως παιδιά και γυναίκες σε ηλικία τεκνοποίησης, δε μπορούν να υποβληθούν σε PET, και ο αριθμός των μετρήσεων που λαμβάνονται με μία σάρωση είναι περιορισμένος.

Πρόσφατα, αναπτύχθηκε μία διαφορετική τεχνική, που ονομάζεται Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (MRI), η οποία δεν είναι παρεμβατική, δε χρειάζεται ραδιοσημασμένες ουσίες και επιτρέπει σε ανθρώπους κάθε ηλικίας να εξεταστούν. Η MRI μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη πολύ λεπτομερών εικόνων της εγκεφαλικής δομής και μία σύγχρονη τεχνική που ονομάζεται μαγνητική τομογραφία διάχυσης (DTI), (μετράει την ταχύτητα διάχυσης των μορίων του νερού μέσα στους ιστούς) επιτρέπει τη λήψη λεπτομερών εικόνων των ινωδών οδών λευκής ουσίας που συνδέουν τις εγκεφαλικές περιοχές.

Μία από τις πιο συναρπαστικές εφαρμογές της τεχνολογίας της MRI που μας προσφέρει εικόνες της εγκεφαλικής λειτουργίας: ονομάζεται Λειτουργική Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (fMRI). Αυτή η τεχνική βασίζεται στη διαφορά των μαγνητικών ιδιοτήτων της οξυαιμοσφαιρίνης και της μη οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης στο αίμα (για το λόγο αυτό το σήμα της fMRI ονομάζεται Σήμα Εξαρτώμενο από τα Επίπεδα Οξυγόνωσης– BOLD). Καθώς η αυξημένη νευρωνική δραστηριότητα οδηγεί σε μετακινήσεις ιόντων που ενεργοποιούν αντλίες οι οποίες απαιτούν ενέργεια, αυξάνεται ο ενεργειακός μεταβολισμός και η κατανάλωση οξυγόνου. Αυτό οδηγεί σε αύξηση της μη οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης και μείωση του μαγνητικού σήματος. .στόσο, η αυξημένη κατανάλωση οξυγόνου ακολουθείται μέσα σε δευτερόλεπτα από αύξηση της τοπικής αιματικής ροής. Η αύξηση στην αιματική ροή υπερβαίνει την αύξηση στην κατανάλωση οξυγόνου. Επομένως, υπάρχει μία σχετική αύξηση στην αιμοσφαιρίνη και στο μέγεθος του σήματος. Ο ακριβής μηχανισμός της αυξημένης εγκεφαλικής αιματικής ροής δεν είναι ακόμη ξεκάθαρος, αλλά πιστεύεται πλέον ότι οφείλεται σε σήμα που προέρχεται από κάποιο νευροδιαβιβαστή.

Θέτοντάς το σε εφαρμογή

Ενδεχομένως να είστε πολύ καλοί στην αφαίρεση αριθμών. Αλλά έχετε δοκιμάσει να αφαιρέσετε εγκεφάλους; Δεν προκαλεί έκπληξη ότι το αγόρι φαίνεται μπερδεμένο (στο σχέδιο). Η αφαίρεση δυσδιάστατων και τρισδιάστατων εικόνων του εγκεφάλου αποδεικνύεται σημαντική για την ανάλυση των δεδομένων. Οι περισσότερες μελέτες με fMRI περιλαμβάνουν τη μέτρηση του σήματος BOLD ενώ οι άνθρωποι εκτελούν προσεκτικά ελεγχόμενες εργασίες. Κατά τη διάρκεια μίας σάρωσης, οι εξεταζόμενοι είναι ξαπλωμένοι μέσα σε ένα μαγνήτη και καταγράφονται οι συμπεριφορικές απαντήσεις τους σε διάφορα ερεθίσματα. Μπορεί να παρουσιαστεί ένα μεγάλο εύρος ερεθισμάτων, π.χ. οπτικά τα οποία προβάλλονται σε μία οθόνη που κοιτάει ο άνθρωπος, ή ακουστικά, που ακούγονται από μικρά μεγάφωνα.

Με τις τεχνικές αυτές είναι δυνατό να εξεταστούν συγκεκαλυμμένα φαινόμενα όπως είναι η αντίληψη, μάθηση, μνήμη, σκέψη ή σχεδιασμός κινήσεων. Συχνά διενεργούνται δύο παρόμοιοι πειραματισμοί, ο ένας αμέσως μετά από το άλλον. Το σκεπτικό είναι ότι το πρώτο πείραμα πρέπει να περιλαμβάνει τις εγκεφαλικές διεργασίες για τις οποίες ενδιαφέρεται ο πειραματιστής, ενώ το δεύτερο όχι. Οι διαδοχικές φωτογραφίες του εγκεφάλου που λαμβάνονται, αφαιρούνται η μία από την άλλη με αποτέλεσμα την παραγωγή μιας ψηφιακής δυσδιάστατης εικόνας που αποτυπώνει τις εξειδικευμένες μεταβολές της εγκεφαλικής δραστηριότητας, που συμβαίνουν κατά την εκτέλεση του πειραματισμού. Αυτές οι φωτογραφίες συγκεντρώνονται από τον υπολογιστή, ο οποίος δίνει πλέον μία τρισδιάστατη εικόνα (βλ. Σχέδιο στην προηγούμενη σελίδα). Σύμφωνα με τις τελευταίες εξελίξεις, ακόμα και πολύ μικρές σκέψεις ή γεγονότα στον εγκέφαλο (έστω και αν διαρκούν μόνο ένα ή δύο δευτερόλεπτα) μπορούν να μετρηθούν. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται fMRI συνδεδεμένο με γεγονότα. Για να επιβεβαιωθεί αν οι αλλαγές στο σήμα κατά την εκτέλεση μιας δοκιμασίας είναι στατιστικά αξιόπιστες, χρησιμοποιούνται εξεζητημένες στατιστικές μέθοδοι ανάλυσης των δεδομένων. Ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πακέτο ανάλυσης με σταθμισμένη μέθοδο επεξεργασίας των απεικονιστικών δεδομένων ονομάζεται στατιστική παραμετρική χαρτογράφηση (SPM). Οι χάρτες του SPM συχνά είναι έγχρωμοι και απεικονίζονται με έντονο κίτρινο οι πιο «θερμές» περιοχές ενεργοποίησης, ενώ με μπλε και μαύρο οι πιο «ψυχρές» περιοχές.

Οι επιστήμονες που ασχολούνται με την εγκεφαλική απεικόνιση μιλούν για περιοχές που «ανάβουν» όταν εκτελούνται συγκεκριμένες λειτουργίες. Αν κάποιος βλέπει ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο σχέδιο που μοιάζει με σκακιέρα, παρατηρείται σημαντική ενεργοποίηση στον πρωτοταγή οπτικό φλοιό. Η χρήση κινούμενων και έγχρωμων σχεδίων και άλλων έξυπνων ερεθισμάτων, που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να ενεργοποιούν διαφορετικές περιοχές του οπτικού μας συστήματος, έχει προσφέρει πολλές νέες πληροφορίες σχετικά με την οργάνωση του ανθρώπινου οπτικού συστήματος. Ανάλογες μελέτες έχουν γίνει για άλλα αισθητηριακά συστήματα. Αυτός ο εντοπιστικός τρόπος σκέψης μας βοήθησε να αναγνωρίσουμε εγκεφαλικές περιοχές που εμπλέκονται σε διαφορετικές συνιστώσες της ανάγνωσης – όπως η μετατροπή οπτικών λέξεων σε φωνολογικό κώδικα, η ομαδοποίηση των φωνημάτων σε πλήρεις λέξεις, η διεργασία της κατανόησης του νοήματος των λέξεων, κ.ο.κ. Έχουν επίσης μελετηθεί και διεργασίες μάθησης, που ενέχονται σε διαδικασίες διαχωρισμού των υπεύθυνων εγκεφαλικών περιοχών οι οποίες εμπλέκονται στην προσδοκία και στην αντίληψη του πόνου.

Ωστόσο, καθώς η έρευνα προχωρά, έχουν προκύψει διάφορες εκπλήξεις. Ένα αρχικό παράδειγμα ήταν η απροσδόκητη αποτυχία στο να μπορέσουμε να δούμε τον έσω κροταφικό λοβό να «ανάβει» προγραμματισμένα σε δοκιμασίες μακροπρόθεσμης μνήμης. Ωστόσο, πιο σύγχρονα ερευνητικά μοντέλα – κάποια χρησιμοποιούν και την εικονική πραγματικότητα – αποκαλύπτουν την ενεργοποίησή του σε διεργασίες μνήμης, ενώ παράλληλα ενεργοποιούνται και άλλες περιοχές όπως ο προμετωπιαίος φλοιός και το προσφηνοειδές λόβιο. Ο συνδυασμός νέων νευροψυχολογικών και άλλων απεικονιστικών ευρημάτων που έδειξαν ποικιλία εμπλεκόμενων εγκεφαλικών περιοχών, μας οδήγησε σε αναθεώρηση των απόψεών μας σχετικά με τα συστήματα μνήμης στον εγκέφαλο. Επίσης, πρόσφατα αναπτύχθηκαν νέες μαθηματικές προσεγγίσεις που επιτρέπουν να μελετήσουμε το πώς η νευρωνική δραστηριότητα διαφορετικών εγκεφαλικών περιοχών αλληλεπιδρά και συσχετίζεται κατά την διάρκεια εκτέλεσης πολύπλοκων δοκιμασιών -γνωστή ως αποτελεσματική συνδεσμολογία. Αυτή η μέτρηση μας επιτρέπει να εκτιμήσουμε, πώς οι περιοχές του εγκεφάλου εργάζονται ομαδικά και όχι απλώς σα μεμονωμένες λειτουργικές μονάδες. Ελπίζουμε ότι αυτές οι νέες τεχνικές, με μαγνήτες υψηλής ισχύος που δίνουν ακόμη πιο ακριβείς εικόνες, θα μας δώσουν πληροφορίες σχετικά με τα δυναμικά των νευρωνικών δικτύων που αλληλεπιδρούν υπό τον αδιάκοπο έλεγχο της αντίληψης, της σκέψης και της δράσης.

Σχετικές Ιστοσελίδες: http://www.dcn.ed.ac.uk/bic/ http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/

International Brain Research Organisation (IBRO)
British Neuroscience Association (BNA)
Ελληνική μετάφραση:
Ζέτα Παπαδοπούλου-Νταϊφώτη, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Φαρμακολογίας
και Διευθύντρια του Εργαστηρίου Φαρμακολογίας της Ιατρικής Σχολής του Παν/μιου Αθηνών
Δρ Στέλλα Γ. Γιακουμάκη, Ψυχολόγος, Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια του Τμήματος Ιατρικής του Παν/μίου Κρήτης
Γεώργιος Κωστόπουλος, Πρόεδρος της Ελληνικής Εταιρείας Νευροεπιστημών
Τελευταία αναθεώρηση : 19/12/2007