Metody výzkumu lidského mozku a kognitivních funkcí

Základní otázky Problém myšlení – tělo Lokalizace kognitivních funkcí Mikrostruktura neuronů Způsob vedení vzruchu Rychlost odezvy Paralelnost zpracování Způsob ukládání informací Spolupráce různých částí mozku Co je vrozené a co je naučené, získané zkušeností Průběh a determinanty kognitivních funkcí

Základní způsoby zkoumání mikroskopie – optická, elektronová včetně rastrovací analýza dopadů léze (poškození) částí mozku (např. afázie, amnézie) a postmortální studie – pitva a záznamy, chorobopisy, sledování (Brocova oblast) statické/ funkční zobrazování mozku zkoumání rychlosti odezvy na různé podněty a úlohy, rychlosti řešení úloh zkoumání vlivu předchozích úloh na následující úlohy (hudební experimenty – doc. Franěk) modelové experimenty zkoumání vývoje kognitivních funkcí – evoluce/fylogeneze, ontogeneze, kognitivní funkce po narození pokusy na zvířatech – fyziologické, přímé působení na mozek, experimenty (KM) modelování a studium reprezentací – symbolické, subsymbolické studium změněných stavů vědomí a přechodů mezi nimi

Zdroj: Sternberg: 66

Statické/strukturní zobrazování mozku (structural imaging) Angiografie – RTG snímek Výpočetní (počítačová) tomografie – CT (RTG s prostorovými řezy, rotující zdroje), hy, velká radiační zátěž!!!, resp. Computed Axial Tomography (CAT) hy Magnetická rezonance - prostorové řezy, lepší rozlišení než CT, neinvazivnost, _imaging _imaging

funkční zobrazování mozku Problémy: –Dostatečná prostorová lokalizace –Dostatečné časové rozlišení –Invazivnost/neinvazivnost metody –Cena –Sociální přijatelnost –Míra ovlivnění kognitivních funkcí procesem zkoumání –Nelze odlišit excitaci či inhibici

Metody funkčního zobrazování mozku –ELMN vlny –Změny paramagnetismu (kyslík) –Snímání radioaktivního záření – anihilačních fotonů (pozitrony/elektrony) –Metabolické metody – spotřeba kyslíku nebo glukózy –Princip subtrakčnosti – odečet pozadí, jde o aproximaci

elektroencefalografie (též EEG; angl. electroencephalography, EEG) zaznamenává se elektrická aktivita mozku elektrodami, které jsou umístěny na povrchu hlavy (resp. při operacích v kontaktu s kůrou mozkovou - elektrokortikogram), nebo může být použito hloubových elektrod - stereoencefalogram) je založeno na tom, že neurony jsou zdrojem synchronizovaných pravidelných elektrických impulzů výstupem metody je elektroencefalogram pokud je záznam prováděn dlouhodobě a současně je i počítačově zpracován, jde o metodu BEAM (angl. brain electrical activity mapping) výhodami elektroencefalografie jsou minimální zátěž pro zkoumanou osobu (neužívá se ionizující záření) a vysoká rozlišovací schopnost v čase (milisekundy), nevýhodami nízké prostorové rozlišení a možnost měření aktivity zejména povrchových oblastí mozku (Mazziotta cit. v KOUKOLÍK 2002) využití v diagnostice epilepsie a vyšetření spánku a jeho poruch viz pomocnou roli má EEG při určení hloubky poruchy vědomí (komatu apod.), vlivu celkového onemocnění na činnost mozku, účinku farmak, diagnostice bolestí hlavy (zejména migreny), infekčních onemocnění, poranění mozku a event. stanovení mozkové smrti ( delta rytmus Hz - hluboký nREM (non rapid eye movement) spánek theta rytmus Hz - povrchní spánek alfa rytmus Hz - bdělý stav, při zavřených očích beta rytmus Hz - bdělý stav

metabolické zobrazování mozku funkční magnetická rezonance (zkr. fMR, fMRI; angl. functional magnetic resonance imaging, fMRI) magnetická rezonanční spektroskopie, zobrazovací technika, která je založena na měření rozdílů absorpce radiofrekvenčního záření v silném magnetickém poli mezi různými molekulami při funkčním sledování se pracuje zejména s rozdíly v absorpci záření mezi kyslíkem nasyceným a kyslíkem nenasyceným hemoglobinem metoda se tak využívá k detekci gradientů toků krve a spotřeby kyslíku ve tkáních, což je specificky v korelaci s aktivitou různých částí lidského mozku časově přesnější a levnější metoda než PET Viz maging, kritika metody maging

metabolické zobrazování mozku Optické zobrazování (optical imaging) Absorpce či rozptyl světla – laser v IČ oblasti Zjišťování fyzikálních či chemických vlastností

magnetoencefalografie (též MEG; angl. magnetoencephalography, MEG) metoda, pomocí které lze sledovat elektrické proudy v mozku pomocí jimi generovaných velmi slabých změn magnetického pole a tak lokalizovat místa elektrické aktivity mozku při různých podnětech nebo zadaných kognitivních úlohách detekčním zařízením je magnetometr typu SQUAD (Superconductive Quantum Interference Device) nutná extrémní citlivost a stínění – zemského pole Supravodivé magnety 10T, Země 30 až 60  T (3 až 6x10 -5 T), lidé 10 fT (femtotesla, T) pro mozkovou kůru a 10 3 fT ( T) pro alfa rytmus, šum antroposféry 10 8 fT (= 0,1  T, T) „In order to generate a signal that is detectable, approximately 50,000 active neurons are needed“ podle (KOUKOLÍK 2002 převzato z MAZZIOTTA 2000) je výhodou metody nepoužívání ionizujícího záření (absolutní neinvazivnost) a dobré časové rozlišení (pod 1 mS), nevýhodou špatné rozlišení prostorové (milimetry) Porovnání s EEG: magnetické pole je méně ovlivňováno tkání – vyšší prostorové rozlišení

metabolické zobrazování mozku pozitronová emisní tomografie (též PET; angl. positron emission tomography, PET, PET imaging); podobná je metoda SPECT (Single photon emission computed tomography - hy) hy založena na detekci fotonů, které vznikají při anihilaci pozitronů (antičástice elektronu) s elektrony, a na počítačovém zpracování detekovaného signálu vůči časoprostorovým souřadnicím do zkoumaného těla jsou vpraveny vhodné radionuklidy a při jejich radioaktivních přeměnách jsou vyzařovány pozitrony, které pak interagují s elektrony prvků, vázaných ve tkáních sledování metabolismu těchto radionuklidů v tkáních, což při aplikaci na nervovou soustavu vytváří funkční biochemický obraz činnosti tkání mozku výhodou je dobré prostorové rozlišení mezi nevýhody patří vysoká cena (na cyklotronech vytvářené krátcežijící radioizotopy, problém dopravy), využívání ionizujícího záření potenciálně poškozujícího zkoumané tkáně a malá rozlišovací schopnost metody v čase (podle MAZZIOTTA 2000 cit. v KOUKOLÍK 2002) často se sleduje zvýšená spotřeba glukózy (do organismu se tedy vpravuje radioaktivní glukóza) aktivovanými částmi lidského mozku

Zdroj: Sternberg:60

Způsoby zkoumání – evolučně - vývojové zkoumání vývoje kognitivních funkcí: –Evoluce/fylogeneze –Ontogeneze: %BD_v%C3%BDvoj %BD_v%C3%BDvoj kognitivní funkce po narození vlivy na vývoj mozku v prenatálním období vlivy drog, nemocí, alkoholu

Experimenty Reační čas Pokud je reakční doba úměrná počtu prvků, jde o sériové a ne paralelní zpracování informací Psychofyzická odezva stará technika Př. Podobnost rozhodnutí pro barvy, textury, tóny; Sledování očních pohybů Pro studium vizuální percepce a zpracování řeči Která informace je zpracovávána v jakém čase Porozumění procesu zpracování informace a způsobu přijímání rozhodnutí

Zdroje STERNBERG, R. J. (2002): Kognitivní psychologie. Portál, ISBN KULIŠŤÁK, P. (2003): Neuropsychologie. Portál, 327 str., ISBN KOUKOLÍK, F. (2002): Lidský mozek. Portál