Fizika i izučavanje mozga (II)

Sl.9.(a) Praktična realizacija magnetnog polja sa varijacijama (gradijentima). Odgovarajući strujni kalemovi nalaze se u svojim oklopima (kućištima): crveni oklop za promene u pravcu x-ose, žuti oklop za žičane namotaje koji izazivaju promene magnetnog polja u pravcu y-ose, a zeleni oklop za sistem koji izaziva promene magnetnog polja u pravcu z-ose. U plavom oklopu nalazi se primopredajnik radiofrekventnih em polja. (b) Prikaz poprečnog preseka kroz kompletan skener u čijoj se cilindričnoj šupljini nalazi pacijent pripremljen za MRI opservaciju.

Vizualizacija pomoću radio talasa

Kao što Wilhelm Rentgen nije pomišljao o praktičnoj primeni rezultata svog rada, nego se bavio, za svoje vreme, fundamentalnim pitanjima fizike, tako isto američki fizičar, austrougarskog porekla, Isidor Rabi (1898-1988) verovatno nije 1938. godine očekivao da će njegovo otkriće biti značajno i za fiziku i za medicinu. Rabi je zajedno sa saradnicima pokazao da usmerenim snopom radio talasa pogodne frekvence može da izazove magnetne momente atomskih jezgara, koji su prethodno usmereni u pravcu jakog magnetnog polja, da promene svoju orijentaciju i zatim da izrače stečenu dodatnu energiju, pri povratku u svoje osnovno (prethodno) stanje – što je, kao mikroskopska pojava, poznato pod imenom nuklearna magnetna rezonanca (NMR).

Pre Rabijevog eksperimenta bilo je poznato da atomska jezgra mogu da se ponašaju kao mehaničke čigre, odnosno kao mali magneti (tj. da imaju svoj sopstveni magnetni moment), ukoliko su sastavljeni od neparnog broja protona i neutrona, koji takodje imaju sopstvene magnetne momente. Rabi je 1944. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku, „za njegov metod rezonance kojim je moguće odrediti magnetne osobine atomskih jezgara”. Svoj metod Rabi je ustanovio vršeći eksperimente sa snopovima nuklearnih jezgara u vakuumu, ali već 1946. dva tima istraživača demonstrirala su da se isti fenomen može zapaziti u tečnostima i čvrstim telima.

Prvo je Edvard Parcel (Edward Purcell; 1912-1997), radeći sa saradnicima na MIT-u, demonstrirao postojanje NMR-a u slučaju jednog litra parafina u čvrstom stanju, čiji su vodonikovi atomi, odnosno njihova jezgra (protoni), ispoljila ista svojstva kao nuklearna jezgra u Rabijevom eksperimantu. Skoro istovremeno, Feliks Bloh (Felix Bloch; 1905-1983), sa saradnicima, je na Stenfordskom (Stanford) Univerzitetu, pokazao postojanje nuklearne magnetne rezonance u slučaju vodonikovih jezgara koji su se nalazili u vodi, u malom kontejneru zapremine 2 kubna centimetra. Istraživači iz drugih akademskih centara odmah su uočili veliki značaj Parcelovog i Blohovog metoda za ispitivanje osobina nuklearnih jezgara u sastavu molekula, tečnosti i čvrstih tela. Zato su Bloh i Parsel 1952. godine dobili Nobelovu nagradu za fiziku.

Sl.10. Snimci poprečnih slojeva mozga zdravog čoveka (duž normale na teme lobanje; to je tzv. aksijalni pravac), uradjeni pomoću MR uređaja (skenera). (a) Ovo je prvi sloj, a svi snimljeni slojevi mozga spakovani su u (b) „snimku“ koji se na ekranu kompjuterskog monitora pojavljuje kao animirani snimak.

Nuklearnu Magnetnu Rezonancu, koju su otkrili i Bloch i Parcel polovinom prošlog veka, skoro dve decenije istraživači širom sveta koristili su uglavnom za proučavanje hemijskog sastava raznih jedinjenja, na osnovu detekcije karakterističinih NMR signala koje su poticali od prisustva vodonikovih atoma. Pošto vodonikovih atoma ima u molekulima vode, a u telu odraslog čoveka ima oko oko 60% vode, onda je bilo pitanje dana kada će neko da pokuša da primeni NMR metod za vizualizaciju ljudskog organizma. Međutim, postojale su dve prepreke.

Prvo, voda u ljudskom organizmu nije homogeno raspoređena i nije mogao da se upotrebi samo jedan magnet da usmeri sve momente svih vodonikovih jezgara (protona). Ovaj problem je rešio američki hemičar Pol Loterbur (Paul C. Lauterbur; 1929-2007), koji je 1973. godine predložio da se umesto homogenog magnetnog polja koristi magnetno polje s malim lokalnim varijacijama (gradijentima) i da se tako omogući snimanje NMR signala koji se menja od jednog do drugog mesta pacijentovog tela. Ali, to je nametnulo novi problem – Kako ovi promenljivi signali da se snime i da se pomoću njih dobije slika koja će prikazivati razne crno-bele nijanse na raznim mestima? Ovu matematičku zagonetku rešio je engleski fizičar Piter Mensfild (Sir Peter Mansfield; 1933-) 1977. godine. Na kraju, trebalo je konstruisati komoru veličine normalnog čoveka u kojoj bi moglo (po potrebi) da se ostvari magnetno polje koje je više od 20000 puta jače od Zemljinog magnetnog polja (magnetno polje se karakteriše veličinom magnetne indukcije B čija je osnovna jedinica jedan Tesla (1T), a nekad je osnovna jedinica bila jedan Gaus (1G), pri čemu je indukcija od 1T 10000 puta veća od indukcije veličine 1G; Zemljino magnetno polje ima magnetnu indukciju od približno 0,5 G, odnosno 0,00005 T).

To je bio zadatak koji je uspešno rešen krajem sedamdesetih i ranih osamdesetih godina prošlog veka, pa su time bili ostvareni svi uslovi da metod NMR krene u svet medicine. Početak je bio zaista uspešan, ali pošto zračenje kojim se obasjava pacijent nije bilo destruktivno (korišćeni su radio-talasi umesto razornog rendgenskog zračenja), odnosno nije se koristilo ništa od nuklearne tehnike, onda je dogovoreno da se umesto skraćenice NMR koristi skraćenica MRI (prema engleskom izrazu Magnetic Resonance Imaging), ili jednostavno MR.

Korišćenje MRI uređaja, odnosno MRI skenera, pokazalo se veoma korisno za brzo i precizno postavljanje dijagnoze u slučajevima kada treba pregledati meka tkiva, posebno u slučajevima pregleda mozga i srca. Kod ovih uređaja ne postoji opasnost od jonizujućeg (Rö) zračenja, što im je glavna prednost u odnosu na metod kompjuterizovane tomografije (CT). Zato su Pol Loterbur i Piter Mensfild dobili Nobelovu nagradu za fiziologiju i medicinu 2003. godine. Mada je u stvaranju MRI metoda učestovalo više istraživača, nagrada Loterburu i Mensfildu je bila zaista opravdana. U svetu je 2002. godine postojalo više od 22000 MRI uređaja, a dotada je bilo izvršeno, koristeći ove uređaje, u proseku 60 miliona pregleda godišnje.

Sl.l1.(a) MRI aksijalni snimak mozga čoveka kome treba operativno da se odstrani jedan veliki tumor (Tu). Neuronski sklop odgovoran za govor označen je sa (S), a sklop odgovoran za pokrete ruku i nogu označen je sa (M). Da bi bili sigurni da prilikom operacije (koja je uspela) ne povrede druge neurone, hirurzi su pre operacije napravili traktografski snimak (b).

Veoma visok kvalitet snimka koji se može dobiti pomoću MRI skenera vidi se na slici mozga Sl.10.(a). Ovde se može zapaziti veliko bogastvo detalja, odnosno dobra rezolucija snimka. MRI skeneri ne daju snimke u boji, ali pomoću MRI skenera mogu se dobiti snimci sa 250 crno-belih nijansi, što omogućava lekarima da vide razliku između zdravog i obolelog dela tkiva.

To je uočljivo na Sl.11. gde su data dva aksijalna snimka mozga jednog mladog čoveka koji ima tumor (Tu) u mozgu, koji se vrlo brzo širi i preti da zahvati centar za govor (S) i centar koji je odgovoran za pokrete ruku i nogu (M). Da bi tačno videli dokle se proširio tumor, lekari su pre operacije (koja je uspela) napravili još jedan snimak Sl.11.(b) pomoću tzv. traktografije koja predstavlja proširenu metodu MRI i omogućava da se vide, i snime, neuronski traktovi (sklopovi neurona koji obavljaju istu funkciju).

Na snimku Sl.11.(b) vidi se da je tumor zahvatio jednu veću oblast (tamnija siva zona), a tamno plavom bojom kod slova M naznačeno je da se tumor opasno proširio do kortiko-spinalnog trakta koji povezuje koru mozga i kičmenu moždinu.

Komandni centri ljudskih aktivnosti

Prethodni primer postavlja jedno interesantno i važno pitanje: Sl.11. prikazuje tanak aksijalni sloj mozga, a za operativno odstranjenje tumora (Tu) potrebno je znati kako se prostiru kancerogene ćelije u spoljnjem sloju mozga i u čitavoj njegovoj unutrašnjosti. To je urađeno traktografskom metodom, pri čemu je snimljeno veoma puno drugih aksijalnih slojeva mozga, pa je pomoću kompjutera dobijena trodimenziona slika. A kako je određen sastav i položaj neuronskog sklopa (zone) za govor? Položaj ove zone približno je bio poznat, kod svih pacijenata, još krajem 19. veka (vidi desni deo Sl.12, posebno oblasti označene kao Brokina površ i tzv. Vernikeovu oblast).

Ali, za svakog pojedinca egzaktan položaj zone i njene razmere, danas mogu i moraju biti tačno određene (pogotovo, pre operacije). Drugim rečima, poznato je da se neuronska zona odgovorna za govor nalazi, kao i većina ostalih funkcionalnih zona, u spoljnjem sloju mozga (to je tzv. cerebralni korteks, gde je reč korteks latinskog porekla sa značenjem omotač), ispod kože glave, koštanog dela lobanje i tzv. moždanica (tri opne koje obavijaju mozak i kičmenu moždinu; poznate pod nazivom meninge, koji potiče iz grčkog jezika). Međutim, bez dopunskog ispitivanja, u svakom konkretnom slučaju, nije moguće znati tačne položaje i razmere funkcionalnih zona u korteksu.

Sl.12. Dva prikaza sagitalnog preseka leve strane ljudske lobanje i mozga. (a) Snimak je dobijen pomoću MRI metoda. Fascinantno jasno se vide svi geometrijski dostupni delovi mozga, ali, bez dopunskih informacija, može se reći da to je samo jedna lepa slika anatomije ljudske glave. (b) Crtež delova cerebralnog korteksa i onih njegovih delova čije su nam funkcije do sada postale poznate.

Cerebralni korteks je sloj mozga debljine 2-4 mm u kome se nalazi više od 75 milijardi neurona (odnosno više od 75% od ukupnog broja neurona u ljudskom mozgu). Zato nije čudno da se u cerebralnom korteksu nalaze zone (skupovi neurona) koji su odgovorni za skoro sve naše fizičke i intelektualne sposobnosti. Ovaj sloj je sastavljen uglavnom od tzv. sive mase, što znači da se u njemu nalaze tela nervnih ćelija (neurona) povezana dendritima sa drugim neuronima i vrlo mali broj aksona obavijenih mijelinskim omotačima (vidi Sl.13.(a)).

Ispod tog sloja nalazi se tzv. bela masa koja je sastavljena od aksona (zaštićenih mijelinskim omotačima) koji prenose informacije, na primer, iz jednog dela korteksa u dijametralno suprotni deo. Proučavanje mikrostrukture cerebralnog korteksa traje više od 100 godina, počev od uspešnih istraživanja Španca Ramona i Kahala krajem 19. i početkom 20. veka. Otada je skupljena ogromna količina podataka, ali sve što je skupljeno nije moglo da dovede do jedne celovite slike o korteksu. Glavni razlog za takvu situaciju bila je činjenica da su skoro svi podaci bili iz oblasti anatomije, a bilo je potrebno da se, pored prethodnog, precizno upoznaju putevi neuronskih impulsa i odgovarajuća mikro-električna kola.

Ovaj posao još nije urađen, pa zato moramo da izjavimo da još uvek nije postignuto potpuno osvajanje ljudskog mozga, odnosno da ima još uvek mnogo posla za sadašnje i buduće generacije istraživača. Ipak, moramo biti veoma zadovoljni saznanjima koja su nam omogućili razni rezonantni metodi i drugi kontaktni metodi, kao što je, na primer, magnetoencefalografija pomoću koje se meri magnetno polje mozga i njegove promene.

Savršenu preciznost anatomskog snimka glave zdravog čoveka, u sagitalnom položaju (vidi Sl.12.(a)), možemo uporediti sa shematskim prikazom funkcionalnih oblasti cerebralnog korteksa u istom položaju. Za govor i sporazumevanje medju ljudima, tu su odgovorne dve oblasti – Brokina površ i Vernikeova oblast. Brokinu površ je otkrio francuski hirurg i antropolog Pjer Broka (Pierre Broca; 1824-1880) koji je šezdesetih godina 19. veka radio sa grupom pacijenata koji nisu mogli da govore. Takav je bio pacijent Leborn (Leborgne) koji je mogao samo da izgovara slog „tan“, a drugi pacijent Lelon (Lelong) mogao je da izgovori samo pet reči.

Posle njihove smrti, Broka je izvršio autopsiju i zapazio je da su obojica imali oštećenja u frontalnom delu mozga, s leve strane. Mada ta oštećenja nisu bila jednakih površina, ovaj deo mozga je vremenom postao poznat kao Brokina površ, a odgovarajući medicinski poremećaj poznat je pod nazivom afazija (što potiče od grčke složenice a- ne + phasis –govor). Deset godina kasnije nemački neurolog, poljskog porekla, Karl Vernike (Carl Wernicke; 1848-1905) uočio je da stare ozlede u jednoj zoni, takođe na levoj strani cerebralnog korteksa (vidi Sl.12.(b)), mogu da budu uzrok vrlo neprijatne govorne mane – ugroženi pacijent je mogao da govori ali je njegov govor bio nerazumljiv, reči nepovezane i, povrh svega, mada nije imao oštećenih delova čula sluha, pacijent je jedva razumevao sagovornika. Ova oštećenja, i propratni simptoni bili su nejednako ispoljeni, isto kao i ukupna veličina odgovarajućeg dela korteksa. Medjutim, mesta oštećenja su skoro uvek bila u istoj zoni koja je postala poznata kao Vernikeova oblast.

Sl.13.(a) Shematski prikaz jednog neurona i njegovih sastavnih delova. Kao svaka ćelija, neuron ima svoje telo (u kome je jedro ćelije). Od tela neurona pruža se akson koji je obavijen mijelinskim omotačima, što pospešuje neometan prenos neuronskog impulsa ka svom odredištu (mijelin je električno neprovodan materijal). Ispred neuronskog tela nalaze se dendriti koji preuzimaju neuronski impuls od drugih neurona. (b) Mikroskopski snimak mreže neurona u malom delu cerebralnog korteksa, koji je sastavljen (mali deo) od dva korteksna stuba, gde je svaki stub širine oko 0,5 mm i visine 2,4 mm.

Pošto je Pjer Broka odredio „svoju oblast“ u cerebralnom korteksu u vreme (1861. godine) kada ovaj pojam još nije počeo se koristi (zabeleženo je da je pojam cerebralni korteks prvi put upotrebljen 1926. godine; vidi Sl.13) bilo je jasno da su ostale neke nepreciznosti, koje su mogle biti veoma važne u neurohirurškoj praksi.

Zbog toga je Broka veoma mudro uradio kad je mozgove svojih pacijenata ostavio u staklenim teglama i predao jednom muzeju u Parizu. Tako je neuropsiholog Nina Dronkers (koja je između ostalih svojih profesionalnih aktivnosti, profesor na odsecima za Neurologiju i Lingvistiku, na Kalifornijskom Univerzitetu u Dejvisu (Davis)), sa svojom ekipom (2007. godine) pozajmila staklene sudove sa mozgovima Lelona i Leborna i podvrgla ih ispitivanju pomoću MRI-a (vidi Sl.14).

Sl.14. Lelonov mozak unutar MRI skenera. Ovu sliku treba uporediti sa shemom koja prikazuje načelnu upotrebu MRI-a, Sl.8.(b).

Mada se u ovom slučaju ne radi o mozgu živog čoveka, ne treba izgubiti iz vida činjenicu da je hemijski sastav ostao nepromenjen, pa samim tim raspored vodonikovih atoma nije promenjen u odnosu na stanje od pre skoro 150 godina. Dondersina ekipa je utvrdila da oštećene zone mozga, u oba slučaja (Lelong i Leborgne), ne zahvataju tako velike regione kao što je onaj koji danas nazivamo Brokina površ, ali da se oštećene zone prostiru mnogo dublje u druge oblasti cerebralnog korteksa nego što je bilo predviđeno.

U članku koji su Dondersova i njena ekipa objavile 2007. godine, u časopisu “Brain“, tvrdi se da je ova razlika nastala u toku vremena, prenošenjem podataka iz jednog časopisa u drugi, odnosno korišćenjem neproverenih podataka iz članaka koji su nastali posle originalnih otkrića. Navedena anegdota može biti poučna za sve oblasti nauke.

Novi metodi vizualizacije ljudskog mozga

Sedamdesetih godina 20. veka pronađena je MR, ali gotovo istovremeno i drugi metodi vizualizacije ljudskog mozga. Pre svega to je tzv. f-MRI metod (odnosno, funkcionalna magnetna rezonanca), pomoću koje je moguće, sa malim izmenama u osnovnom MR uređaju i promenama u kompjuterskim programima, da se dobiju slike koje otkrivaju one delove mozga koji su aktivni pri različitim fizičkim poslovima (pri pisanju, pri kucanju teksta na tastaturi računara itd.), ali i pri različitim emotivnim stanjima (ljutnja, veselost, napetost itd.).

A pri samom kraju 20. veka, preciznije 1994. godine, objavljeno je otkriće DT vizualizacije (sa akronimom DTI, prema engleskoj složenici Diffusion Tensor Imaging). To je metod pomoću koga mogu jasno da se vide i snime mesta tzv. bele i sive mase u mozgu. Poznavanje preciznog položaja i pravca prostiranja bele mase veoma je važno, jer omogućava da se na vreme otkriju i leče bolesti nervnog sistema (kao što je multipleks skleroza, izliv krvi u mozak, demencija i sl.). Pomoću DTI metoda može se dobiti trodimenziona slika spleta neurona koji su obavijeni mijelinom i, u celini, podsećaju na električni kabl sa spletom belih žica. Pojava takvih „kablova“ ne mestima gde treba da bude siva neuronska masa jeste prvo upozorenje mogućeg ozbiljnog oštećenja mozga.

Doduše, takvo upozorenje može da se dobije i iz preciznog dvodimenzionog DTI snimka (vidi Sl.15). Pored toga, prošle 2008. godine, objavljeni su rezultati novog metoda veoma preciznog snimanja aktivnih veza između pojedinih neuronskih oblasti, na osnovu difuzije molekula vode, što omogućava, po prvi put, da se prikaže mreža međusobno aktivnih neurona. Ovaj novi metod je dobio svoj akronim – DSI, na osnovu početnih slova engleskog izraza diffusion spectrum imaging.

Sl.15.(a) Crtež poprečnog preseka lobanje i mozga, napravljen po svim pravilima dobrog anatomskog atlasa. U donjem desnom uglu crteža prikazana je projekcija ravni preseka lobanje na odgovarajuću sagitalnu ravan. (b) MR snimak sloja mozga zdravog čoveka, u ravni koja je naznačena na prethodnom delu slike. Ovde se jasno vide obrisi bele mase mozga, ali bez uočljivih razika između pojedinih delova. (c) Snimak mozga istog pacijenta u istim uslovima kao kad je napravljen MR snimak, ali je ovde upotrebljen DT metod, te je bilo moguće dobiti snimak u boji. Pri tom, žutom i crvenom bojom je naznačena kompleksna raspodela bele mase.

Prikazom snimaka jednog poprečnog preseka mozga stigli smo do najsavremenijih metoda koji se koriste u nauci o mozgu. Nismo rekli sve, jer se svakog dana postojeći metodi usavršavaju, a ima stvari koje smo svesno izostavili, da bismo, na kraju, mogli da kažemo da smo veoma sažeto opisali kako je do sada osvajan ljudski mozak.

Situacija je zaista slična sa situacijom u kojoj bi se našao neki astrofizičar koji se prihvatio zadatka da opiše kako je do sada osvajana naša današnja slika o kosmosu. Gde god se odlučio da prekine svoje pisanje, autor bi saznao da ima puno stvari koje je mogao da pomene, a kroz izvesno vreme i mnogo novih stvari koje zaslužuju da budu priključene datom opisu kosmosa. I u tom smislu mozak i kosmos su za današnjeg radoznalog čoveka veoma slični.