Okablowanie mózgu

Te obrazy okablowania są częścią różnych projektów konektomu – prób pełnego zmapowania wszystkich w mózgu ludzkim oraz ich funkcji. Te najnowsze obrazy z Cardiff są wynikiem pracy systemem Siemens 3 Tesla Connectome MRI. Zasadniczo, widzimy wyniki postępów technologii zarówno hardware, jak software.

Same skanery MRI są potężne. “3 Tesla” odnosi się do siły magnesu. Typowy szpitalny MRI działa na 1,5 Tesla lub 3 Tesla. Jest 10,5 Tesla MRI na University of Minnesota, który jest używany do projektu konektomu NIH. Tak więc 3 Tesla jest potężnym skanerem MRI, ale nie bardziej niż typowe skanery MRI kliniczne.  

Moc magnesu jednak nie jest jedyną miarą możliwości skaneru MRI. Jednostka z Cardiff jest “specjalnie zaadaptowana”, by miała bardzo wysoką rozdzielczość. Potrafią obrazować włókna w mózgu 1/50 średnicy ludzkiego włosa. Na świecie jest tylko jeszcze jedna jednostka z taką rozdzielczością, na Harvard University.

W dodatku do wysokiej rozdzielczości obrazowania anatomicznego projekty Cardiff i NIH używają funkcjonalnego obrazowania MRI, by obrazować aksony w działaniu. Tę informację uzupełnia magnetoencefalografia (MEG) i EEG, które są także obrazowaniem funkcjonalnym, patrzącym na aktywność mózgu. Celem jest połączenie danych anatomicznych i funkcjonalnych, by stworzyć konektom – mapę sieci połączeń działalności w mózgu.

Obrazy z tego badania są osłupiające. W pewnym sensie przypominają mi rakietę Saturn V. W odpowiedzi na nonsens o mistyfikacji księżycowej jeden z inżynierów NASA powiedział, że – patrząc na rozmiary rakiety Saturn V i robiąc najbardziej podstawowe kalkulacje, jest jasne, że rakieta została zaprojektowana na wyjście poza orbitę Ziemi. Była wystarczająco duża nie tylko, by dosięgnąć Księżyca, ale teoretycznie nawet Marsa. Jeśli w rzeczywistości nie polecieliśmy na Księżyc, to po co taka duża rakieta?

Mam te same odczucia patrząc na wyłaniające się obrazy konektomu. Kiedy patrzysz na wszystkie połączenia w mózgu, musisz zastanawiać się, po co one są. Cała ta praca sieciowa i cała ta moc przetwarzania jest potrzebna do wykonywania wszystkich rzeczy, jakie wykonuje mózg, włącznie z programowaniem świadomości. Wiem, że to nie przekona negacjonistów neuronauki, ale dla naukowców jest to fascynujące.

Jeden komentarz z relacji medialnych o tych obrazach. BBC pisze:

Lekarze mają nadzieję, że pomoże to w lepszym zrozumieniu szeregu zaburzeń neurologicznych i może być używane zamiast inwazyjnych biopsji.  

oraz

Skaner używany jest do badań wielu zaburzeń neurologicznych włącznie ze stwardnieniem rozsianym, schizofrenią, demencją i epilepsją.

Wiem, że w mediach jest obowiązkowe czynienie odniesień do jakichś konkretnych zastosowań, kiedy mówi się o czystej nauce. Jest oczywiście rozsądne zapytać – jak możemy wykorzystać tę nową technologię lub odkrycie do czegoś konkretnego? Niestety, wtedy właśnie spekulacje wykolejają się, lub przynajmniej nie zostają ustawione w rozsądnej perspektywie.

Ja też mam wielkie nadzieje wobec projektu konektomu, ale nie doprowadzi on bezpośrednio do terapii na stwardnienie rozsiane ani demencji i może nawet nie przyczynić się do diagnozy. Najpierw zajmę się badaniami nad zrozumieniem tych chorób.

Jedne choroby mózgu, jak stwardnienie rozsiane (MS) i choroba Alzheimera (AD) są chorobami patologicznymi. MS jest spowodowane zapaleniem w mózgu i w rdzeniu kręgowym, co powoduje bezpośrednie uszkodzenie komórek i aksonów. W AD komórki mózgu powoli umierają z nadal niejasnych przyczyn, chociaż zidentyfikowaliśmy wiele zmian patologicznych, które biorą udział w postępach tej choroby.

Innymi słowy, są to choroby patologiczne komórek w mózgu. Nie są wynikiem zaburzonych powiązań wewnątrz mózgu. Powiązania w mózgu są zakłócone wtórnie do patologii, a więc są rezultatem, nie zaś przyczyną choroby.

Ten rodzaj obrazowania może więc pomóc nam w zrozumieniu konsekwencji chorób takich jak MS i AD. Nie sądzę jednak, by pomogły nam zrozumieć patologię i dlatego jest mało prawdopodobne, by prowadziły do skutecznego leczenia (które musi zająć się leżącą u podstaw patologią).

Schizofrenia jest inna. Jest to zakłócenie okablowania mózgu i niekoniecznie jest patologiczna. Komórki mózgowe są w porządku tylko komunikują się wzajem ze sobą w sposób, który daje oznaki i objawy definiowane jako schizofrenia. Dlatego projekty konektomu prawdopodobnie będą znacznie bardziej użyteczne do zrozumienia zaburzeń takich jak schizofrenia, które są wynikiem zakłóconych połączeń.

A co w sprawie użycia tej technologii jako narzędzia diagnostycznego? To jest możliwe, ale nie tak proste, jak relacje medialne to czynią. Każde narzędzie do badania, żeby było użyteczne klinicznie, musi dawać nam konkretną informację kliniczną, na podstawie której możemy działać. Musi rozróżnić różne spokrewnione choroby lub stawiać diagnozę wcześniej niż możemy to zrobić przy pomocy innych metod, albo też przewidywać wynik lub to, kto dobrze zareaguje na konkretną terapię. Sama bardziej szczegółowa wiedza o tym, jak mózg wadliwie działa niekoniecznie doprowadzi do zmiany leczenia.

Nie sądzę, by było prawdopodobne, że skany konektomu będą użyteczne w chorobach takich jak MS. Nie widzę, w jaki sposób ta informacja może wpłynąć na leczenie. Ponadto nie sądzę, że zastąpią biopsje (dla wyjaśnienia, do diagnozy MS nie stosujemy rutynowo biopsji). Biopsje dotyczą znajdowania patologii, a jak powiedziałem powyżej, obrazowanie połączeń nie mówi o patologii komórek. To jest po prostu inna informacja.

Jedyną rolą kliniczną, jaką umiem sobie wyobrazić, jest wcześniejsze stawianie diagnozy dla AD. Czasami pacjent prezentuje bardzo słabe objawy demencji, zanim rozwiną się na tyle, by potwierdzić diagnozę AD lub podobnej demencji. Taki skan mógłby pokazać wczesną utratę połączeń i potwierdzić diagnozę znacznie wcześniej niż byłaby inaczej potwierdzona. Nie wiem czy tak będzie, ale jest to całkiem możliwe.

Osobnym pytaniem jest, czy jest to klinicznie użyteczne. Będzie to pomocne w prognozowaniu, co pomoże ludziom planować swoją przyszłość. Inaczej może nie mieć dramatycznego wpływu na leczenie, ale to może zmienić się w miarę dostępności nowych terapii.

Ogólnie uważam, że bezpośrednie zastosowanie kliniczne będzie prawdopodobnie ograniczone, ale może być użyteczne w pewnych specyficznych sytuacjach. Zastosowanie tych badań może być jednak olbrzymie, ale nie przy chorobach patologicznych. Głównie przyczyni się do naszego zrozumienia, jak działa zdrowy mózg i zrozumienia zaburzeń, w których problemem są połączenia w mózgu.

The Brains Wiring

6 lipca 2017

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Steven Novella

Neurolog, wykładowca na Yale University School of Medicine. Przewodniczący i współzałożyciel New England Skeptical Society. Twórca popularnych (cotygodniowych) podkastów o nauce The Skeptics’ Guide to the Universe.  Jest również dyrektorem Science-Based Medicine będącej częścią James Randi Educational Foundation (JREF), członek Committee for Skeptical Inquiry (CSI) oraz członek założyciel Institute for Science in Medicine.

Prowadzi blog Neurologica.