Fizika i izučavanje mozga (I)

„Profesor Breg, naš direktor Kevendiš laboratorije, i Profesor Nils Bor, često su izražavali svoje uverenje da fizika može pomoći biologiji. Činjenica da su ovi veliki ljudi verovali u takvu mogućnost, pomogla nam je da mnogo lakše napredujemo u svojim istraživanjima.“ (Džejms Votson u govoru, 10. decembra 1962, na banketu povodom dobijanja Nobelove nagrade)

Piše: Sava Milošević Ljudski mozak je, po svemu sudeći, najkompleksnija stvar u kosmosu. U mozgu, prosečne težine 1,4 kg, ima 100 milijardi neurona (nervnih ćelija), približno isto koliko u galaksiji Mlečni Put ima zvezda. Smešten unutar lobanje, mozak nije bio vidljiv u celosti (bez oštećenja) ni prilikom autopsija. Postoje tragovi (vidi Sl.1) o pravljenju rupa okruglog oblika na lobanjama živih ljudi.

Sl.1. Lobanja čoveka iz neolitskog doba sa veoma jasnim trepanovanim otvorom na temenu (reč trepan je engleskog porekla; potiče iz 15. veka, odnosno od latinskog izraza tres fines sa značenjem tri kraja, imajući u vidu tri oslonca bušilice kojom je bilo moguće, u novije doba, da se napravi okrugli otvor).

Međutim, ne postoje pouzdana svedočanstva o tome kada su ljudske lobanje otvarane iz religioznih (mističnih) razloga, a kada je to bila pretpostavljena medicinska potreba. Takodje, ne postoje jasni zapisi (crteži) o unutrašnjosti lobanje koja se mogla videti kroz napravljene otvore. Pored toga, crkvene vlasti, u srednjem veku, zabranile su seciranje i autopsiju ljudskih tela. Ipak, postojali su putujući hirurzi koji su, van naseljenjih mesta, ljudima u nevolji bušili lobanju i vadili „ludi kamen“ iz glave (vidi Sl.2).

Sl.2. „Ekstrakcija ludog kamena“, ulje na drvetu, rad holandskog slikara Boša Hijeronimusa (Bosch Hieronymus; 1450-1516). Na slici se mogu zapaziti očigledno podsmešljivi detalji na račun crkvenih zabrana - „hirurg” ne vadi kamen već cvet iz lobanje (jedan cvet se već nalazi na stolu), pacijent je dobro vezan za stolicu, kaluđer drži prigodnu propoved, koju „hirurg” pažljivo sluša i blagonaklono potvrđuje svoje slaganje levkom koji je stavio sebi na glavu. Na kraju, žena sa knjigom na glavi verovatno predstavlja satiru na račun flamanskog sujeverja da naslagane knjige štite od zla.

Otvaranje lobanje korišćenjem raznih bušilica, ma koliko izgledalo surovo, predstavlja jednu od najstarijih hirurških metoda za koju postoji priličan broj svedočanstava (vidi Sl.3). Zapanjujuće zvuči, ali pisana dokumenta potvrđuju da su hirurzi bili veoma vešti jer je broj preživelih pacijenata bio relativno veliki. Pored toga, broj infekcija je bio neočekivano mali. Na Sl.3. mogu se videti dve gravure Pitera Traverisa (Peter Treveris) preuzete iz knjige “Handywarke of surgeri” („Ručni rad u hirurgiji”) objavljene 1525. godine, a na trećem delu Sl.3. vidi se francuski vojni lekar koji sa usavršenim trepanom strpljivo pravi otvor na desnoj bočnoj strani lobanje nepoznatog vojnika.

Sl.3. Pravljenje rupe na lobanji pacijenta pomoću trepana prikazano je na gravurama iz 1525. godine. Do 18. veka napravljeni su precizniji instrumenti, pa je lekar mogao da pritiska bušilicom lobanju samo na jednom mestu (doduše, pacijent je morao da izdrži bez anestezije da lekar pažljivo okreće bušilicu 30-60 minuta).

Da li se danas, u 21. veku, primenjuje otvaranje ljudske lobanje? Da! Odgovarajuća oblast medicine zove se Neurohirurgija. U zavisnosti od situacije u kojoj se pacijenti nalaze, otvori koji se prave mogu biti različite veličine. Na Sl.4a. prikazan je slučaj kada se pacijentu koji boluje od Parkinsonove bolesti, kroz veoma mali otvor na lobanji, ubacuje elektroda da bi se duboko u mozgu stimulisao onaj njegov deo koji je odgovoran za pacijentove specifične smetnje (drhtanje, tremor). S druge strane, na Sl.4b. obeleženi deo lobanje (koji će tek biti isečen) je veličine šake. U ovom slučaju radi se o biciklisti koji je u gužvi jedne biciklističke ture srušen i pri padu zadobio težak izliv krvi u mozak. Srećom, hitnim otvaranjem lobanje i daljom neurohirurškom operacijom, koja je trajala tri časa, povređeni biciklista je bio spašen i posle pet meseci mogao je ponovo da vozi bicikl.

Sl.4(a). Glava pacijenta je dobro fiksirana, da bi na lobanji mogao da se napravi mali otvor na tačno određenom mestu. Kroz otvor se ubacuje elektroda koja duboko u mozgu stimuliše skup neurona za koje se pretpostavlja da su odgovorni za simptome Parkinsonove bolesti. (b) Osvetljeni desni bočni deo lobanje povređenog bicikliste obeležen je ljubičastim markerom. Obeleženi deo je kvadratnog oblika, a lobanja će biti otvorena posle sečenja samo duž triju ivica „kvadrata”.

Od autopsija do neurona

Krajem 17. i početkom 18. veka postepeno je iščezla praksa otvaranja ljudkih lobanja s ciljem da se sagleda anatomija (struktura) mozga. Naredna dva veka (18. i 19) dominirali su evropski lekari, posebno škola engleskih lekara (spontano formirana početkom 18. veka). Vodeći akteri ove škole oslanjali su se na prethodno stečena znanja i, u priličnoj meri, na rezultate autopsija koje su majstorski obavljali (autopsija je reč grčkog porekla, a današnje značenje – seciranje tela umrlog čoveka – upravo su uveli u upotrebu engleski lekari krajem 17. veka).

Na Sl.5. prikazana je gravura donje strane mozga, koju je uradio čuveni engleski arhitekta Ser Kristofer Ren (Sir Christopher Wren; 1632-1723), a čiji je otisak prvi put javno prikazan 1664. godine u delu “Cerebri Anatome” vodećeg engleskog lekara Tomasa Vilisa (Sir Thomas Willis; 1621-1675). Vilis je napisao ovo svoje delo dok je radio kao profesor na Oksfordskom Univerzitetu, gde je nastojao, koristeći svoja znanja iz anatomije mozga, da objasni prirodu ljudske duše. Mada ovakvo nastojanje zvuči prilično religiozno, Vilis je postigao niz značajnih realnih otkrića o strukturi mozga. Vilisov uticaj na proučavanje anatomije nervnog sistema, i funkcija pojedinih njegovih delova, postojao je sve do kraja 19. veka. A izmedju ostalog, uveo je i niz novih medicinskih termina. Na primer, 1681. godine Vilis je uveo termin neurologija (na osnovu novolatinske reči neurologia, sastavljene iz sklopa dveju reči neur- i –logy).

Sl.5. Otisak gravure kojom je Kristofer Ren prikazao donji deo ljudskog mozga. Ren je bio slavni arhitekta koji je obnovio mnoge građevine, posle velikog požara (1666. godine) u Londonu, ali je nakon toga svesrdno radio svoj deo posla u timu Tomasa Vilisa na detaljnom seciranju leševa. U istom timu radili su, pored ostalih, fizičari Robert Huk (Robert Hooke; 1635-1703) i Robert Bojl (Robert Boyle; 1627-1691), i fiziolog Ričard Louver (Richard Lower; 1631-1691), koji je prvi propagirao, i izvodio, transfuziju krvi među životinjama (a i kod ljudi).

Krajem 19. veka bili su poznati skoro svi delovi ljudskog mozga. Kruna svih napora, može se reći, bio je ispravan koncept strukture neurona (glavnih moždanih ćelija) i koncept njihove međusobne povezanosti. To je postigao španski istraživač Santjago Ramon i Kahal (Santiago Ramòn y Cajal; 1852-1934), te je 1906. godine dobio Nobelovu nagradu, zajedno sa italijanskim naučnikom Kamilom Golđijem (Camillo Golgi;1843-1926).

Međutim, celokupno ljudsko znanje početkom 20. veka odgovaralo je nivou znanja deteta koje poznaje svaki deo svog automobila-igračke kada je igračka rastavljena, ali ne sme ni da pomisli da ponovo sastavi igračku, ili, još teže, da opiše kako pojedini delovi rade kada je „automobil u pokretu”. A najteže pitanje bilo bi: „Kako se sa komandnog mesta vozača upravlja udaljenim delovima mašine?”; odnosno, otvorenije, kako mozak šalje i prima informacije od drugih delova tela.

Rentgenovo revolucionarno otkriće

U Vircburgu (Würtzburg), 8. novembra 1895. godine, nemački fizičar Vilhelm Rentgen (Wilhelm Röntgen; 1845-1923) zapazio je nepoznato zračenje koje je dolazilo iz katodne cevi s kojom je upravo eksperimentisao. Zračenje je bilo vrlo prodorno – prolazilo je kroz sve mekane delove ljudskog tela izuzev kostiju. To je Rentgen prvo demonstrirao snimivši šaku svoje supruge, a zatim šaku slavnog švajcarskog anatomiste Alberta fon Kelikera (Albert von Kölliker; 1817-1905) što je prvi put objavio 23. januara 1896. (vidi Sl.6(a)).

Rentgenova otkrića vrlo brzo su se pročula u svetu. Čuveni američki dnevni list “The New-York Times” je već u januaru 1896, u svom odeljku o fotografijama, objavio vest o Rentgenovom otkriću, a na Odseku za fiziku slavnog Masačusetskog Instituta za Tehnologiju (MIT) bili su u stanju krajem januara iste godine da reprodukuju Rentgenove rezultate. Pored toga, vizualizacija (imaging) ljudskog skeleta bila je prikazana na skupu Bostonskog medicinskog društva u aprilu 1896. Otkrivanje puščanog zrna u telu ranjenika pomoću jednostavnih rendgen aparata prvi put je korišćeno 1898. godine u Špansko-Američkom ratu, a kasnije u Prvom svetskom ratu.

Rentgen je posle svog otkrića i posle dobijanja najvećeg priznanja (prva Nobelova nagrada za fiziku, 1901. godine) nastavio da se bavi prirodom zračenja koje je otkrio. Bile su postavljene razne pretpostavke, pa je zbog te svoje tajanstvenosti rendgensko zračenje nazvano X zračenje (tehnička oznaka Rö). Traganje za pravom prirodom X zračenja bilo je sastavni deo burnog razvoja fizike u prve dve decenije 20. veka.

Sl.6.(a) Rentgenov snimak šake slavnog švajcarskog anatomiste Alberta fon Kelikera. (b) Izuzetno jak prelom ruke snimljen rendgenskim zracima na poznatoj Majo klinici (Mayo Clinic, Rochester, USA)

Na kraju se ispostavilo da je X zračenje u stvari elektromagnetno zračenje, isto kao i vidljiva svetlost, ali sa mnogo manjim talasnim dužinama λ (odnosno mnogo većim frekvencama ν, pošto važi odnos ν~1/λ), čime se i objašnjava velika prodornost odgovarajućih zraka (jer je energija jednog kvanta zračenja proporcionalna frekvenci ν).

Vizualizacija

Velika prodornost rendgenskog zračenja doprinela je da se ovom zračenju vrlo brzo pripišu dve negativne osobine. Prvo, velika prodornost zračenja delovala je razorno na nezaštićene delove tela pacijenata i lekara. Ovaj problem je postepeno rešavan postavljanjem prikladnih zaklona i ograničavanjem vremenskog intervala zračenja. Drugi problem je bio izazov za istraživače iz oblasti prostiranja elektromagnetnih (em) talasa. Naime, kada se rendgenski zraci usmere ka pacijentu onda oni na zastoru (npr. na fotografskoj ploči) iza pacijenta ostavljaju samo informaciju (sliku) o dvodimenzionim konturama kostiju, ali skoro nikakve informacije o mekim tkivima, posebno o mozgu kod koga meka tkiva na raznim mestima imaju različite gustine.

Ovaj problem je prvi rešio američki fizičar Alan Kormak (Allan Cormack; 1924-1998). On je 1962. i 1963. godine teorijski dokazao da se tomografskim obasjavanjem pacijenta Rö zracima može dobiti trodimenziona slika tela. Reč tomografija je složenica sastavljena od dveju grčkih reči - „tomos“ i „grafija“, sa značenjima presek (odrezak) i opisivanje. Mogli bismo da kažemo da tomografija označava metod koji služi da se dobije trodimenziona slika nekog tela preciznim slaganjem prethodno dobijenih slika njegovih dvodimenzionih preseka.

Na Sl.7. je shematski prikazan odgovarajući metod – pacijent leži na stolu koji se može pokretati napred-nazad, a okolo pacijenta kruži izvor rendgenskog zračenja, dok se na dijametralno suprotnom delu kruga nalazi niz detektora. Zračenje je tako podešeno (usmereno) da prođe kroz tanak sloj tela (debljine nekoliko milimetara), odnosno kroz zamišljenu rešetku piksela i voksela. Jedan piksel je ovde (po analogiji sa terminologijom koja se koristi za opisivanje osobina kompjuterskog monitora) mali kvadrat ivice nekoliko milimetara, recimo 3 mm, a voluminozni deo prizmatičnog oblika iznad piksela je voksel (njegova visina je obično duplo veća od širine piksela).

To znači da se poprečni sloj osobe koja oko struka ima oko 85 cm sastoji od približno 6400 voksela, tj. da detektori treba da registruju zračenje koje je prošlo kroz toliki broj mesta u jednom sloju tela. Kada detektori prime, i dalje predaju ovu informaciju odgovarajućem uredjaju, sto sa pacijentom pomera se napred, ili nazad, da bi se dobila informacija iz susednog sloja.

Alan Kormak je pokazao da je ovako prikupljanje informacija u principu moguće, a deset godina posle toga engleski elektro-inženjer Godfri Haunsfild (Godfrey Hounsfield; 1919-2004) je demonstrirao da se upotrebom kompjutera ovo može stvarno i uraditi. Metod je nazvan Kompjuterizovana Tomografija (Computerized Tomography), a često se koristi samo skraćenica CT, dok je originalna skraćenica CAT (Computerized Axial Tomography) postepeno nestala iz upotrebe, jer se pokazalo da nije bitno naglašavati aksijalni (axial) položaj pacijenta u odnosu na moguće kruženje izvora zračenja. Haunsfild je prve kliničke rezultate objavio u proleće 1972. godine. Svet je bio zadivljen bogatstvom medicinskih detalja (na fotografijama) kakvi su ranije mogli da se vide samo prilikom autopsija, ili hirurških intervencija.

Sl.7. Shematski prikaz rendgenske tomografije, odnosno skica CT uređaja, pri snimanju jednog sloja trbušne duplje pacijentkinje koja leži na stolu. U levom delu slike prikazana je mreža piksela, odnosno voksela, i očekivana slika. Onaj voksel koji je zadržao (apsorbovao) relativno veću količinu zračenja biće svetliji na slici, i obrnuto onaj voksel koji je propustio vecu količinu zračenja biće tamniji na slici.

Haunsfild je prvo objavio svoje rezultate koje je dobio prilikom snimanja glave živog čoveka i tako pokrenuo pravu lavinu pohvalnih komentara, jer dok se ranije običnim snimanjem glave rendgenskim zracima mogla dobiti samo slika konture lobanje, a mozak je ostajao jedna mutna oblast bez prepoznatljivih detalja, snimanje pomoću CT-a omogućilo je lekarima da vide pravi poprečni presek mozga, sa uočljivim oblastima bele i sive mase i šupljinama ispunjenim moždanom tečnošću.

Zbog toga je CT metod bio vrlo brzo prihvaćen i usavršavan od strane profesionalnih korisnika, a Alan Kormak i Godfri Haunsfild, fizičar i elektro-inženjer, 1979. godine dobili su Nobelovu nagradu za fiziologiju i medicinu. Ovde je prikladno da navedemo da su najnoviji spiralni višeslojni (multislice) CT skeneri u mogućnosti da snime odgovarajući organ za svega 2-3 sekunde, zahvaljujući spiralnom obrtanju izvora rendgenskog zračenja oko pacijenta, pri čemu se naspram izvora nalazi sistem višestrukih detektora, tako da je pri svakom punom obrtaju spiralne osovine moguće dobiti do 256 slika poprečnih preseka datog organa.

Sl.8.(a) Komercijalni CT uređaj, sa pacijentom koji je postavljen u položaj za snimanje poprečnog preseka glave. (b) Snimak poprečnog preseka gornjeg dela glave. Obratite pažnju, na primer, na simetričnu tamnu figuru leptirastog oblika u gornjem delu snimka. To je poprečni presek kroz tzv. bočnu komoru (lateral ventricula), koja je ispunjena moždanom tečnošću i povezana je sa sistemom sličnih komora, pa tako sve skupa, kao neki napunjeni gumeni jastuk, štite mozak prilikom jakih potresa glave.

***

Navedeni tekst predstavlja prvu polovinu celovitog teksta 'Fizika i izučavanje mozga', koji je napisao prof. dr Sava Milošević. Drugi nastavak očekujte u našoj rubrici narednih nedelja.