Научные исследования человеческого мозга направлены на изучение его строения, функций и работы нервной системы в целом. Области исследования мозговой деятельности связаны с пониманием биологических основ таких функций как: обучение, память, поведение, восприятие и сознание.
Медицинское обследование мозга выполняется в лечебных заведениях для диагностики заболеваний мозга и оценки эффективности лечения.
Научное исследование мозга
➥ Основная статья: Изучение головного мозга
Изучением мозга человека занимается множество естественнонаучных дисциплин с целью понимания функций мозга, нейронных сетей и нервной системы. Нейробиологи в своих научных экспериментах обычно охватывают несколько направлений в области нейронауки, связанных с работой мозга и поведением.
На что направлены исследования мозга?
На данный момент есть как минимум 25 основных направлений исследований головного мозга. Одни из них изучают молекулярные и клеточные механизмы работы нервной системы. Другие изучают вклад культурных и поведенческих аспектов в формирование мозга. Научные опыты на ранних этапах онтогенеза нервной системы исследуют процессы развития нервных клеток и становление их функций. Помимо этого, исследования мозга нацелены на изучение различных неврологических расстройств и способы их лечения. Методы нейроинформатики позволяют осуществлять компьютерное моделирование патологических состояний, связанных с нарушениями работы мозга.
Почему изучение мозга важно?
Мозг человека и нервная система выполняют многие важные функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности организма, также мозг отвечает за такие ментальные функции как мышление, память, эмоции, поведение и др. Изучение мозга человека и нервной системы помогает лучше понять, как работает организм человека. Эти знания помогают врачам находить способы профилактики и лечения заболеваний, как нервной, так и других систем. Существует более тысячи заболеваний головного мозга и нервной системы. Они варьируются от неврологической дисфункции до новообразований и заболеваний опорно-двигательного аппарата.
Методы исследования мозга
Существует множество различных методов экспериментального исследования активности головного мозга. Они включают в себя методы, позволяющие вмешиваться непосредственно в работу самого мозга, например, воздействуя электрической, химической (а в последнее время и магнитной) стимуляцией. Исследователи также могут анализировать показатели электрической и химической активности мозга. Измерение электрической активности может проводиться с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), электрокортикографии (ЭКоГ) или микроэлектродных методов. Компьютерное сканирование мозга позволяет неинвазивно изучать структуру и мозговую активность.
Медицинские способы исследования мозга
Сканирование мозга – важный инструмент в научных и медицинских исследованиях головного мозга, который помогает выявить проблемы или нарушения. Сканирование мозга можно осуществлять с помощью компьютерной томографии (КТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), магнитоэнцефалографии (МЭГ) и т.д.
Структурное и функциональное сканирование мозга
Все способы обследования мозга можно разделить на две категории: структурные или функциональные. Структурные методы обследования, такие как МРТ, дают возможность изучить строение мозга. МРТ способен визуализировать спинномозговую жидкость, серое вещество, белое вещество и т.д. Структурные методы исследования используются для изучения анатомии мозга. Функциональное сканирование мозга используется для косвенного измерения функций мозга, таких как нервная активность. Одним из самых распространенных видов функционального сканирования является ЭЭГ, реже проводится магнитоэнцефалография.
Классификация методов исследования мозга
Методы исследования мозга можно разделить на: сканирование без необходимости контакта с кожей головы, контактное сканирование и исследования с введением контраста.
- Бесконтактное сканирование головы включает в себя компьютерную томографию, магнитно-резонансную томографию и магнитоэнцефалографию.
- Сканирование, требующее контакта с кожей головы, включает электроэнцефалографию. Электроды размещаются на голове пациента или объекта исследования для сбора данных об активности головного мозга.
- Сканирование с введенным контраста: динамическая КТ и МРТ.
Как выбирается способ обследования мозга?
Прежде чем назначить сканирование мозга, невролог уточняет симптомы и давность их возникновения. Также врач может обсудить достоинства и недостатки различных типов исследования. Это необходимо для предотвращения лишних расходов как для пациента, так и для больницы.
Как проводится исследование мозга?
Некоторые способы сканирования головного мозга – МРТ или КТ – позволяют получать данные без непосредственного контакта. Через головной мозг пропускаются рентгеновские лучи или магнитное поле, которые затем анализируются компьютером для получения точной картины.
Выполнение электроэнцефалограммы головного мозга требует прямого контакта электродов с кожей головы. Магнитоэнцефалография в свою очередь получает данные с помощью датчиков, расположенных в нескольких миллиметрах от кожи. Субъект должен оставаться неподвижным внутри сканера.
Некоторые варианты сканирования требует введения контрастного красителя или радиоактивного агента, как, например, в случае ПЭТ-сканирования. Также контраст используется для динамической КТ или МРТ головного мозга. КТ и МРТ с контрастом полезны для измерения церебрального объема крови (CBV) и церебрального кровотока (CBF).
Обследование мозга с помощью ЭЭГ
Электроэнцефалография – это сканирование, в ходе которого регистрируют и анализируют биоэлектрическую активность мозга. Сканирование головного мозга с помощью ЭЭГ выполняется путем прикрепления электродов к коже головы. Датчики регистрируют мозговые волны, и электроэнцефалограф отправляет данные в компьютер.
Конец XX столетия характеризовался внедрением в неврологическую диагностику новых методов нейровизуализации: компьютерной рентгеновской томографии, ядерно-магнито-резонансной томографии, позитронно-эмиссионной томографии и др., решивших в основном задачу диагностики путем прямого изображения органических структурных морфологических и частично дизметаболических расстройств. Тем не менее, в настоящее время наблюдается почти революционная активизация исследований в области электроэнцефалографии с качественным и количественным совершенствованием аппаратуры и методов анализа, расширением диапазона применения метода на все более широкие области диагностики, появляются сотни публикаций, демонстрирующих рост возможностей метода. Являясь почти идеальным методом прямого отображения функционирования ЦНС, она на протяжение более 3/4 века решает вопросы диагностики органических поражений мозга.
ЭЭГ-сканирование мозга: плюсы и минусы
ЭЭГ может предоставить информацию, которую не обнаруживают другие виды сканирования – например, мозговые волны и эпилептическую активность. Одним из самых больших преимуществ ЭЭГ является временное разрешение (с точностью до миллисекунд). Нейроны передают информацию с помощью электрических сигналов, поэтому ЭЭГ можно использовать для наблюдения за активностью мозга в реальном времени.
Врач или исследователь имеет возможность объединить ЭЭГ с другими данными сканирования для получения более полной картины. Так, например, возможна интеграция магнитоэнцефалографии и ЭЭГ для получения единой карты мозга.
Обратной стороной ЭЭГ-обследования является то, что нет возможности определить точное место возникновения активности. Еще одна проблема, связанная с ЭЭГ, заключается в том, что определенные типы электродов могут улавливать помехи от других электрических устройств и органов (сердца или мышц) в связи с этим сигналы регистрируются с артефактами. Часто необходимы другие типы сканирования мозга в комбинации с данными ЭЭГ для формирования полной и точной картины мозга.
Что показывает сканирование мозга?
Все способы исследования мозга обладают своими достоинствами и недостатками. ЭЭГ-обследование мозга показывает нейронную активность, которую невозможно обнаружить иными способами. Изображения, полученные в результате магнитно-резонансной томографии позволяют хорошо визуализировать мягкие ткани головного мозга. Это особенно важно для обнаружения и диагностики опухолей, кист и прочих новообразований.
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) позволяет фиксировать активность мозга по уровню кровотока, который связан с использованием энергии клетками мозга. Активные участки мозга начинают потреблять больше энергии, в них усиливается кровоток и это отражается на фМРТ. Данный метод исследования позволяет оценить, насколько рискованна для пациента операция на головном мозге или любое другое инвазивное лечение, а также узнать, как функционирует нормальный, больной или поврежденный мозг.
Позитронно-эмиссионная томография помогает степень разрастания опухоли. ПЭТ-сканирование мозга может помочь определить состояние опухолевых клеток на различных стадиях, например, после облучения или при рецидивах злокачественных заболеваний.
Динамическая МРТ или динамическая компьютерная томография головного мозга позволяют оценить кровоснабжение и объем мозга.
Исследования с применением нейрокомпьютерного интерфейса
➥ Основная статья: Нейрокомпьютерный интерфейс
Исследования по разработке и применению нейрокомпьютерного интерфейса связаны с изучением технологии взаимодействия между мозгом и внешними электронными устройствами. Компьютер может получать сигналы ЭЭГ, ЭКоГ, LFP в качестве команд управления устройством. Данный интерфейс полезен для пациентов, страдающих параличом, а также перспективен в игровой индустрии.