Transcript Metody badania aktywności mózgu

Mózg – budowa, funkcje, higiena i metody badania
Anna Sochocka
06. 06. 2011
Zakład Technologii Gier
Plan seminarium:
1.
•
•
•
2.
•
•
Mózg
Budowa mózgu
Podstawowe cechy mózgu: potencjał spoczynkowy i czynnościowy
Higiena mózgu
Wybrane metody badania aktywności mózgu - metody nieinwazyjne
EEG
Metoda Ramo - Shockley’a
Układ nerwowy
Ośrodkowy ( centralny ) układ nerwowy:
- Mózgowie ( kresomózgowie, międzymózgowie,
śródmózgowie, móżdżek,rdzeń przedłużony )
- Rdzeń kręgowy
- Rdzeń przedłużony
Obwodowy układ nerwowy
- Nerwy czaszkowe
- Nerwy rdzeniowe
Budowa neuronu
Neuron jest najważniejszym elementem składowym układu nerwowego. W
obrębie komórki nerwowej wyróżnia się ciało komórki i dwa rodzaje wypustek:
długą (akson) i liczne wypustki krótkie (dendryty).
Aksony przenoszą informacje z ciała
komórki do innych komórek
nerwowych lub narządów
wykonawczych (efektorów),
dendryty natomiast przekazują
pobudzenia do ciała komórki
nerwowej. Poszczególne komórki
nerwowe łączą się ze sobą poprzez
złącza (synapsy), które pośredniczą
w przekazywaniu informacji.
W zależności od rodzaju substancji
chemicznej pośredniczącej w
przekazywaniu pobudzenia,
wyróżnia się synapsy pobudzające i
hamujące.
Komórka nerwowa
Komórka nerwowa, neuron
przystosowana do przewodzenia i
przetwarzania, a także wytwarzania
bodźców nerwowych.
Charakteryzuje się tym, że przewodzi
bodźce zawsze w jednym kierunku od
dendrytów do ciała komórki
(perikarionu) i z komórki dalej przez
neuryt (wypustkę osiową).
Każda z komórek nerwowych
mózgu, może wytworzyć połączenia
z 1028 innych komórek
liczba wszystkich możliwych kombinacji w całym mózgu to cyfra 1 z rzędem zer o
długości 10,5 km!
Budowa mózgu
Mózg (łac. encephalon z gr. en "w, wewnątrz" i kephalos "głowa") - część
ośrodkowego układu nerwowego leżąca w czaszce.
Mózg składa się z pięciu części:
- Kresomózgowie
- Międzymózgowie
- Śródmózgowie
- Tyłomózgowie wtórne
- Rdzeń przedłużony
Kresomózgowie
Kresomózgowie jest największą częścią mózgu. To ośrodek decyzyjny
mózgu. Nadzoruje większość czynności fizycznych i umysłowych. Różne
obszary kresomózgowia są odpowiedzialne za rozmaite reakcje
świadome. Kresomózgowie skupia ponad połowę neurytów, zbudowane
jest z dwóch półkul mózgowych oddzielonych podłużną szczeliną i
połączonych spoidłem wielkim. Powierzchnię mózgu tworzą silne fałdy
zwane zakrętami, porozdzielane bruzdami, największa bruzda – Rolanda
– przedziela mózg na pół.
Mózg człowieka można podzielić na dwie półkule. Jedna z nich, tzw.
Willi (prawa), posługuje się rytmem, przestrzenią, wyobraźnią,
dźwiękiem, kolorami, postrzega wymiary i obraz całości. Druga z
nich, tzw. Wilfrded (lewa), posługuje się logiką, liczbami, słowami,
hierarchią, linearnością, analizą, zbiorami. Widzi szczegóły, a nie
dostrzega obrazu całości.
Kora mózgowa
Kora mózgu pokrywa zewnętrzną powierzchnię
półkul mózgowych. Jest zbudowana z istoty szarej,
którą stanowią komórki neuronów. Jest bardzo
silnie pofałdowana, dzięki czemu przy niewielkiej
objętości zajmuje sporą powierzchnię. Kora
mózgowa odbiera i analizuje informacje z
narządów zmysłów. Odbywają się w niej także
procesy skojarzenia, stąd też wysyłane są
instrukcje określające reakcje ruchowe.
Odpowiada za czucie somatyczne, widzenie,
słyszenie, czucie, uczenie się oraz planowanie i
polecenie ruchów. Dzieli się na korę starą (układ
limbiczny), odpowiadającą za stany emocjonalne i
popędy oraz kontrolę podwzgórza i korę nową.
Uszkodzenie kory mózgowej może doprowadzić do
zaburzeń funkcji związanej z uszkodzonym
obszarem (np. niedowład, zaburzenia mowy,
niedowidzenie) lub wyzwolić nadmierną aktywność
komórek leżących w sąsiedztwie uszkodzenia.
Płat potyliczny
Funkcje:
widzenie, analiza koloru, ruchu, kształtu, głębi, skojarzenia
wzrokowe, ocena, decyduje czy wrażenie jest analizowane i
jaki jest jego priorytet
Płat skroniowy
Funkcje:
słuch muzyczny, fonematyczny i wrażenia
dźwiękowe, rozumienie mowy, gramatyka,
prozodia, rozpoznawanie obiektów,
kategoryzacja obiektów, pamięć werbalna,
zapamiętywanie, analiza zapachów
Płat ciemieniowy
Funkcje:
- część górna: czucie dotyku, temperatury,
bólu, umiejscowienie wrażeń czuciowych
- prawa część dolna: orientacja
przestrzenna, układ odniesienia na
podstawie wrażeń wzrokowych
- lewa część dolna: modelowanie relacji
przestrzennych ruchów palców
- pomiędzy i część przyśrodkowa: celowe
ruchy, integracja ruchu i wzroku
integracja czucia i wzroku w jeden percept
manipulacja obiektami wymagająca
koordynacji i wyobraźni
przestrzenno/ruchowej
rozumienie języka symbolicznego, pojęć
abstrakcyjnych, geometrycznych
Płat czołowy
Funkcje:
- część górna - funkcje ruchowe, pierwotna kora
ruchowa, kora przedruchowa, dodatkowa kora
ruchowa
pamięć wyuczonych działań ruchowych, nawyki,
specyficzne schematy zachowań, wyrazy twarzy
- lewy płat - obszar Brocka (mowa)
- pola czołowe oczu (ruch gałek ocznych zależny od
woli)
- część przedczołowa: "zdawanie sobie sprawy"
planowanie i inicjacja działania w odpowiedzi na
zdarzenia zewnętrzne, oceny sytuacji, przewidywanie
konsekwencji działań - symulacje w modelu świata
konfromizm społeczny, takt, wyczucie sytuacji,
analiza i kontrola stanów emocjonalnych, ekspresji
językowej uczucia błogostanu (układ nagrody),
frustracji, lęku i napięcia
- lewy płat - kojarzenie znaczenia i symbolu (słowa),
kojarzenie sytuacyjne
pamięć robocza, wola działania, podejmowanie
decyzji, relacje czasowe, kontrola sekwencji zdarzeń
część podstawna, kora okołooczodołowa
Mózg - ciekawostki
- Większy od grejpfruta, mniejszy od sałaty
- Mieści się w jednej ręce
- Waży mniej, niż 1500gram
- 1 bilion komórek (100 md aktywne i 900
md glejowe)
- Ma większe możliwości, niż komputer
Mózg człowieka jest zawsze aktywny. Nawet podczas snu, co sekundę
przekazywane jest ponad 50 milionów impulsów. Jest to energia zbliżona
do ilości energii jaką potrzebujemy do zasilenia 10-watowej żarówki.
Odbiór bodźców następuje w półkulach " na krzyż". Dzięki temu prawa
półkula odpowiedzialna jest za odbiór informacji i bodźców z lewej części
ciała i odwrotnie, lewa półkula odpowiada za prawą stronę ciała.
JAK ROZWINĄĆ NIE WYKORZYSTANE
MOŻLIWOŚCI NASZEGO MÓZGU ?
Skojarzyć rzecz z silnie oddziałującym
na nas obrazem
Stosować dietę wysokoenergetyczną
Uprawiać sport
Pozytywny sposób myślenia
Higiena umysłu
Mózg ludzki stanowi ok. 2% wagi ciała, ale pobiera aż 20% energii i ok. 25%
tlenu dostarczanego naszemu organizmowi. Żywi się glukozą (nie oznacza to
jednak, że my powinniśmy się żywić głównie czekoladą i batonikami) spalaną w
obecności tlenu
Dieta mózgu:
Marchew pozytywnie wpływa na przemianę materii w mózgu.
Ananas i cytryna są bogate w witaminę C, która poprawia pamięć i ułatwia
przyswajanie żelaza, które z kolei jest odpowiedzialne za transport tlenu w
naszym organizmie. Odpowiednia dawka tlenu sprawia, że nie jesteśmy zmęczeni
i łatwiej przyswajamy informacje.
Tyrozyna zawarta w bananach zwiększa nasze siły twórcze i zdolność
koncentracji.
Banany (tryptofan) i truskawki (pektyny) podniosą naszą odporność na stres i
poprawią samopoczucie.
Cebuli pomaga ona w ukrwieniu mózgu, czyli m.in. dostarczeniu mu substancji
odżywczych ( dzięki niej nie będziemy zmęczeni )
Kapusta pomoże nam się zrelaksować i zmniejszy naszą nerwowość poprzez
spowolnienie aktywności tarczycy.
Rośliny strączkowe i ziarna są źródłem lecytyny (soja, kiełki pszenicy,
orzechy), która poprawia pamięć oraz magnezu (pestki dyni, kasza gryczana,
migdały, biała fasola), kojącego nasze skołatane nerwy.
Nienasycone kwasy tłuszczowe ( zawarte m. in w rybach morskich i
krewetkach) - z tłuszczów zbudowane są osłonki neuronów, które decydują o
szybkości przepływu informacji przez włókna nerwowe. W efekcie nasze procesy
myślowe i wszelkie działania są efektywniejsze.
Chude mięso i drób dostarczy naszym organizmom lekkostrawnych białek. Należy
pamiętać, że białko jest podstawowym budulcem wszystkich komórek naszego
organizmu.
Mięso i ryby są również źródłem witaminy PP, którą powinniśmy przyjmować, jeśli
chcemy by nasza pamięć była niezawodna
Wątróbka, jaja, kalafiory i kapusta włoska zawierają cholinę – jeden ze
składników lecytyny, pobudza układ nerwowy, wzmacniając tym samym zdolność
koncentracji i zapamiętywania, a także refleks.
Łosoś, makrela, śledzie, sardynki zawierają witaminę B12 – nazywaną „witaminą
mózgu” (ze względu na to, że jej niedobór przyczynia się do zaburzeń
neurologicznych) – poprawia koncentrację i pamięć, a także zwiększa wydolność
psychofizyczną.
W odróżnieniu od B12, witamina B1 uzyskała miano „witaminy nastroju”.
Pomaga uzyskać dobre samopoczucie, usuwa zmęczenie, nerwowość, irytację.
Znajdziemy ją w chudej wieprzowinie, kaszy gryczanej i jęczmieniu.
Węglowodany także są istotnym elementem diety. Poprzez reakcje chemiczne
stymulują wytwarzanie przez mózg serotoniny. Uruchamia to układ obrony
przeciwstresowej, zmniejszający napięcie emocjonalne. Lepiej dla nas, gdy
będziemy spożywać węglowodany złożone, zawarte w ciemnym chlebie,
naleśnikach, brązowym ryżu czy makaronie, niż pójdziemy na łatwiznę i
zjemy czekoladowy baton.
Dla poprawienia kondycji naszego umysłu dobry jest również potas zawarty w
ziemniakach, pomidorach i roślinach strączkowych
Siemię lniane, które z powodzeniem może służyć jako dodatek do kanapek lub
sałatek jest bogate w kwasy omega-3, a musicie wiedzieć, że stanowią one 60%
naszej tkanki mózgowej. Ich niedobór prowadzi do depresji, podwyższenia
poziomu cholesterolu i ciśnienia krwi
Imbir poprawia nasze zdolności twórcze poprzez ułatwienie dokrwienia mózgu
Kawa ( kofeina ) pobudza nas intelektualnie, sprawia, że postrzeganie
staje się łatwiejsze, procesy myślowe sprawniejsze,
kofeina wzmacnia połączenia nerwowe w korze czołowej i przedczołowej,
a te z kolei odpowiedzialne są bezpośrednio za naszą pamięć
krótkotrwałą (dawka kofeiny: 100-200 mg dziennie (1-2 kubki kawy))
Znajdź ukrytą twarz…
Stara czy młoda ?
Potencjał spoczynkowy neuronu
Podstawową cechą układu nerwowego jest pobudliwość, czyli
zdolność reagowania na bodźce i zdolność przewodzenia
impulsu.
Przenoszeniu impulsu towarzyszą zmiany elektryczne w
postaci tzw. potencjału czynnościowego
Przenoszenie potencjału polega na przesuwaniu jonów po obu
stronach błony komórkowej. W stanie spoczynku między
wnętrzem komórki a środowiskiem zewnątrzkomórkowym panuje
różnica potencjałów około -90mV
Wnętrze
komórki
Środowisko
zewnątrzkomórkowe
Neuron posiada ujemny potencjał spoczynkowy.
dodatnie
ujemne
Potencjał spoczynkowy polega na tym, że stężenie jonów potasu i chloru
( +K, - Cl ) jest większe wewnątrz, a sodu na zewnątrz neuronu ( + Na ).
Bierze się to stąd, że błona komórkowa w spoczynku jest o wiele mniej
przepuszczalna dla jonów sodu niż dla jonów potasu.
Przewodzenie impulsu
Pod wpływem bodźca następuje depolaryzacja błony, zwiększa się jej
przepuszczalność dla jonów sodu, które wpadają do środka. W chwili pojawienia
się potencjału czynnościowego, potencjał komórki staje się dodatni w stosunku do
środowiska pozakomórkowego, ponieważ w środku komórki jest teraz nadmiar
dodatnich ładunków elektrycznych.
Wnętrze
komórki
v
+
+
Na
+K
-
Cl
Środowisko
zewnątrzkomórkowe
-
Podczas powrotu błony do stanu normalnego tzw. „pompa sodowo-potasowa,”
wypycha sód i wsysa z powrotem potas
Wnętrze komórki
-
Środowisko
zewnątrzkomórkowe
+
Do wywołania depolaryzacji potrzebny jest tzw. bodziec progowy. Bodziec
progowy jest minimalnym bodźcem, jaki jest potrzebny do wywołania
potencjału czynnościowego. Każdy silniejszy bodziec (nadprogowy) również
wywoła depolaryzację, jednak żaden poniżej progowego nie pobudzi błony
Przebieg pobudzenia neuronu.
Fala depolaryzacji przesuwa się i przenosi
na dalsze odcinki. Po przejściu impulsu
błona komórkowa natychmiast się
repolaryzuje, czyli powraca do stanu
spoczynkowego.
Po krótkim okresie odnowy, czyli tzw.
okresie refrakcyjnym (bezwzględnej
niewrażliwości włókna na bodźce),
może znów powstać nowy przebieg
potencjału.
Cykl depolaryzacji i repolaryzacji trwa
około 1 milisekundy.
Obserwując z zewnątrz błonę komórkową
neuronu można stwierdzić że jest ona
naładowana dodatnio w stanie spoczynku
a impuls nerwowy jest spostrzegany jako
przemieszczający się obszar ładunku
ujemnego
.
Przewodzenie impulsu
Potencjał czynnościowy wędruje
wzdłuż neurytu aż do styku z
następnym neuronem tzw. synapsy.
Między synapsami jest szczelina.
Impuls jest przenoszony w sposób
ciągły mimo szczelin.
Jest to możliwe dzięki specjalnym
substancjom chemicznym tzw.
przekaźnikom lub mediatorom
uwalnianym przez zakończenia
nerwowe.
Do mediatorów zaliczamy m.in.
adrenalinę czy serotoninę
Metodologia badania mózgu
Techniki badania mózgu mogą być inwazyjne lub nieinwazyjne.
Metoda inwazyjna polega na wszczepieniu bezpośrednio do kory mózgowej
odpowiednio małych elektrod. Jakość otrzymanego sygnału jest wyższa ale pojawia się
ryzyko związane z operacja i ewentualną infekcja dlatego metodę tę stosuje się tylko w
szczególnych przypadkach - u osób sparaliżowanych.
Metody nieinwazyjne polegają na analizie fal mózgowych przez
czujniki zamontowane w specjalnej czapce lub hełmie na głowie
użytkownika.
Metody nieinwazyjne:
• fMRI : Funkcjonalne obrazowanie za pomocą rezonansu
magnetycznego
• EEG : Elektroencefalografia
• MEG : MagnetoEncefalografia
• fNIR : Funkcjonalne obrazowanie w podczerwieni
Elektroencefalografia
EEG - Elektroencefalografia - nieinwazyjna metoda diagnostyczna
służąca do badania bioelektrycznej czynności mózgu. Badanie polega na
odpowiednim rozmieszczeniu na powierzchni skóry czaszki elektrod
które rejestrują zmiany potencjału elektrycznego na powierzchni skóry,
pochodzące od aktywności neuronów kory mózgowej i po odpowiednim
ich wzmocnieniu tworzą z nich zapis – elektroencefalogram.
Pierwszy polski zapis EEG został
zarejestrowany przez Adolfa Becka,
który swoją pracę opublikował w 1890
r. Pierwsze badanie EEG na człowieku
przeprowadził Hans Berger, psychiatra z
Jeny ( 1925 r. ).
Hansa Bergera (1873-1941)
Adolf Beck (1863-1942)
W zapisie EEG wyróżnia się: fale (zasadnicza część składowa EEG, prosta,
krótkotrwała zmiana różnicy potencjałów), rytmy (wielokrotne powtórzenie
fali).
Nazwa
Amplituda [uV] Częstość [Hz]
Alfa
40 - 100
8 - 13
Beta
5 - 25
14 - 30
Theta
do 30
4-8
Delta
około 50
1-3
Kształt
V
sek
A może by tak coś nowego…
„Cracov Human Brain Project” Grup:
Paweł Lasko f
K. Łojek
S. Micek
R. Płaneta
M. Misiaszek
A. Sochocka
Z. Sosin
R. Zyss
Twierdzenie
Ramosygnał
– Shockley’a
W większości detektorów
promieniowania
generowany jest jako
impuls prądowy. Twierdzenie Ramo pozwala obliczyć prąd indukowany
przez ruch ładunków
Twierdzenie Ramo pozwala obliczyć prąd
indukowany przez ruch ładunków.
,i
M. idzik
 
(r )  v
•położenie
• r położenie
ładunku
ładunku
•położenie ładunku
Wyindukowany prąd jest proporcjonalny do prędkości ładunku i pola wagowego
Od teorii do realizacji …
 idt  Q  U 
Q
C
PA
i
elektroda
U(t)

E
t
elektroda X 64

v
q
Aparatura pomiarowa
laptop
przedwzmacniacz
ładunkowy
wzmacniacze
„PA”
i/lub
PA
i/lub
przetwornik
ADC-flash 1kHz
PA
i/lub
PA
akumulatory
zasilacze
X 64
Co moglibyśmy mierzyć:
- sygnały z mózgu
- sygnały z serca
- sygnały mięśniowe
-korelacje między nimi
Układ fizyczny symulujący fale mózgowe
Przetworniki
analogowo - cyfrowe
ADC
Sterownik kontrolera
USB
dane
linie
ster.
Kontroler USB
dane
linie
ster.
Program graficzny na PC
2. Hardware: (ADC + sterownik kontrolera USB) + kontroler USB
Przetworniki
analogowo - cyfrowe
ADC
Sterownik kontrolera
USB
Kontroler USB
AtMega
8
FT
245
własności
:
- wbudowanych
6 ADC 12-bit.
- 8kB pamięci FLASH (sterowanie
FTDI)
- prostota
użycia
- USB 2.0
Dla pomiarów pola elektrycznego generowanego przez komórki
układu nerwowego zbudowaliśmy prototyp zmodyfikowanego
przedwzmacniacza ładunkowego (integratora) „PA”, który posiada
unikatowe własności:
- odporny na mogące pojawić się w wyniku elektryzowania wyższe
potencjały uszkadzające jego wejście
- konstrukcja przedwzmacniacza umożliwia minimalizację szumów
związaną z eliminacją opornika sprzężenia zwrotnego
- w proponowanym rozwiązaniu bezrezystywne rozładowanie pojemności
sprzężenia zwrotnego jest możliwe dla obu polarności indukowanych
ładunków
Przedwzmacniacz ładunkowy - schemat
© Zbigniew
Sosin
Przedwzmacniacz ładunkowy - mozaika ścieżek
Wymiary płytki:
24x15mm
V
+
V
-
i
n
GN
D
możliwość podania potencjału na
źródła
ou
t
Symulacja prądów generowanych przez ruchome ładunki
Odwikływanie ścieżki ładunku na podstawie prądów
rejestrowanych przez elektrody
Zdefiniowanie problemu:
• Generacja prądu indukowanego w elektrodach przez poruszające się w
pobliżu nich ładunki
• Minimalizacja błędu związanego z odzyskiwaniem trajektorii ruchu ładunku
z danych otrzymanych z wirtualnych elektrod
Zadana trajektoria naładowanej cząstki
3 elektrody + szum
Y [m]
(0,2 ; 0,3 )
(0,3 ; 0)
(0,1;0)
X [m]
Zależność prądu na elektrodach od czasu
I[A]
T [ sek ]
3 elektrody + szum
Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY
porównana z wyjściową (czarna) przy poprawnie zadanych
warunkach początkowych
Y [m]
X [m]
3 elektrody + szum
Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY
porównana z wyjściowa (czarna) przy podaniu podwojonego ładunku
cząstki
Y [m]
X [m]
3 elektrody + szum
Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY
porównana z wyjściową (czarna) przy podaniu złego punktu
początkowego
Y [m]
X [m]
3 elektrody + szum
Model dwuwymiarowy aktywności mózgu (stan
podstawowy)
Losujemy wewnątrz mózgu pętle
prądowe o następujących
parametrach:
•
•
•
•
Położenie centrum,
Promień
Chwila pojawienia się
Zależność prądu od czasu:
narastanie, stan stabilny,
opadanie – I(t)
Model dwuwymiarowy aktywności mózgu
- wzmożona aktywność dobrze zlokalizowanej części
mózgu
Losujemy w określonym
obszarze mózgu pętle prądowe
o:
• większej gęstość;
• większych prądach
• innych czasach narastania i
opadania
Pola działania:
- Modelowanie rozkładu pola elektrycznego dla określonego rozkładu elektrod –
dalsze rozwijanie naszego programu, z wykorzystaniem pakietu NEBEM,
wyszukiwanie trajektorii o zadanym kształcie
- Modelowanie ruchu ładunków w głowie,
- Porównywanie eksperymentalnie zmierzonych prądów z przewidywaniami
modelowymi
Zapraszamy na naszą stronę:
http://zefir.if.uj.edu.pl/ania/index2.html
Dziękuje za uwagę
MEG pozwala na mapowanie mózgu w czasie rzeczywistym.
Reakcja na aktywność kciuka i małego palca
prawej ręki
MAGNETOENCEFALOGRAFIA
Co mierzy aparatura MEG ?
Płynące w neuronach prądy są źródłem pola magnetycznego.
Zgodnie z równaniami Maxwella ruch ładunków powoduje powstanie pola
magnetycznego prostopadłego do kierunku tego ruchu. Sygnały MEG (i EEG)
pochodzą od prądów jonowych płynących w drzewkach dendrytycznych neuronów w
czasie transmisji synaptycznej.
Kolorem szarym zaznaczono prądy
jonowe płynące wokół neuronu w
wyniku akcji synaptycznej. Strzałką
zaznaczono kierunek dipola prądowego
posiadającego prądowe źródło w
dendrytach i prądowy zlew w okolicy
ciała neuronu.
Porównanie metod obrazowania mózgu
Charakterystyki
EEG
MEG
„PA”
Rozdzielczość
czasowa
1 msek
1 msek
1 msek
Rozdzielczość
przestrzenna
1 cm
5 cm
????
Ograniczenia
• tylko kora
mózgowa
• trudna
interpretacja
• słaba
rozdzielczość
przestrzenna
• trudna
interpretacja
• trudna interpretacja
Zalety
• tania
• łatwa
• obejmuje
głębsze struktury
• tania
• łatwa
• mierzy sygnały
wolnozmienne nawet do
dziesiętnych Hz
• mierzy sygnały od ruchów
ładunków prostopadłych do
płaszczyzny elektrody
• obejmuje głębsze struktury
• bezkontaktowy pomiar
Idea pomiaru MEG
Pole magnetyczne powstające wokół dipola ma zwrot zgodny z regułą prawej
ręki i linie pola są okręgami o środku na osi dipola. Aby pole magnetyczne
miało mierzalne wartości potrzebna jest superpozycja dużej liczby
synchronicznie aktywnych dipoli neuronowych o z grubsza jednakowej
orientacji ( co najmniej 50 tys. )
Pole magnetyczne pochodzące od neuronów umieszczonych w bruzdach jest
prostopadłe do powierzchni głowy i daje większy wkład do sygnału MEG niż pole
pochodzące od neuronów umieszczonych w zakrętach.
Magnetoencefalografia
Magnetoencefalografia (MEG) — technika obrazowania elektrycznej
czynności mózgu za pomocą rejestracji pola magnetycznego wytworzonego
przez mózg (sygnały te są bardzo małe – femtotesla [ fT ], czyli 10-15 (pole
magnetyczne Ziemi jest miliard razy większe).
Pierwszy pomiar MEG został wykonany przez fizyka Davida Cohena w 1968 r.
Sygnały są odbierane przez wysokoczułe mierniki pola
magnetycznego umieszczone w pobliżu czaszki badanego np.
typu SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)
ważący 8 ton
Jeszcze kilka lat temu nikt nie myślał poważnie o realizacji takiego
przedsięwzięcia. Postęp technologiczny sprawił jednak, że znaleźli się
odważni: IBM we współpracy ze szwajcarskimi naukowcami rozpoczął
prace nad stworzeniem superkomputera, którego zadaniem będzie
symulowanie działania ludzkiego mózgu. I to na poziomie molekuł.
Superkomputer nosi nazwę Blue Brain. Nawiązanie do "Blue Gene" jest
nieprzypadkowe, badacze mają zamiar skorzystać z doświadczeń zdobytych
podczas konstruowania tej ostatniej maszyny.
Szczytowa wydajność Blue Brain ma wynieść przynajmniej ok. 23 teraflopy.
Komputer ma pomóc w zrozumieniu, skąd biorą się takie choroby, jak autyzm
czy depresja, która uznawana jest za zmorę XXI wieku.
Zdaniem Henriego Markrama, kierownika Brain and Mind Institute w Lozannie, to
pierwszy raz, kiedy człowiek będzie w stanie w czasie rzeczywistym
zasymulować i obejrzeć mózg w działaniu. Bez otwierania czaszki czy drażnienia
wybranych fragmentów prądem.
Budowę superkomputera poprzedziło ponad dziesięć lat badań, w trakcie których
Markram ze współpracownikami gromadził dane na temat budowy i sposobu
działania komórek nerwowych w korze mózgowej (nowej istocie korowej, łac.
neocortex).
Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (Kalifornia)
informują, że Blue Gene/L (najszybszy superkomputer na świecie)
został rozbudowany i dysponuje obecnie dwa razy większą liczbą
procesorów niż do tej pory.
Superkomputer Blue Gene/L zawierał do niedawna 32 tysiące
procesorów. Kilka tygodni temu system został rozbudowany, tak iż
zawiera obecnie dwa razy więcej procesorów. System dysponuje
obecnie 32 tysiącami węzłów obliczeniowych, każdy zawierający dwa
procesory (razem 64 tys. procesorów).
Gdy pod koniec 2004 r. ogłoszono, że najsilniejszym superkomputerem na
świecie jest Blue Gene/L, podano, iż jego moc obliczeniowa wynosi 70,72
TF (teraflopsów). Obecnie komputer będzie prawdopodobnie przetwarzał
dane dwa razy szybciej. Oznacza to, że kolejny na liście superkomputer
Columbia (system zawierający 10 240 procesorów, którego właścicielem
jest NASA), pracuje trzy razy wolniej niż Blue Gene/L. Wydajność
superkomputera Columbia wynosi 51,87 TF.
ultradźwięki o mocy niższej niż ta zazwyczaj stosowana w rutynowych
procedurach diagnostycznych mogą wywoływać wzrost aktywności
neuronów, gdy tymczasem wyższa moc daje znikomy efekt - podkreśla
szef zespołu prof. William "Jamie" Tyler.
http://technoblog.gazeta.pl/blog/1,84944,5864274,Zrob_sobie_upgrade_mozgu.html
Jednym z wielu programów prowadzonych przez amerykańską DARPA (Agencja
Badawcza Zaawansowanych Projektów Obronnych) są badania nad hełmem, który
pozwoli zdalnie stymulować mózgi żołnierzy. DARPA współpracuje z profesorem
Williamem J. Tylerem z University of Arizona, który od kilku lat bada
systemy nieinwazyjnej stymulacji mózgu. Techniki takie mogą być pomoce w
leczeniu choroby Parkinsona czy depresji. Posłużą też do stworzenie interfejsów
łączących mózg z komputerem.
Z kolei DARPA chciałaby dzięki pracom Tylera stworzyć hełm, który będzie w
stanie zwiększyć możliwości żołnierzy, pobudzając ich do dłuższego czuwania czy
redukując stres lub ból.
W każdej półkuli wyróżnia się 4 płaty:
- Potyliczny – znajdują się w nim ośrodki wzroku i rozumienia wrażeń wzrokowych
- Skroniowy – znajdują się w nim ośrodki słuchu i rozumienia wrażeń słuchowych
- Ciemieniowy – znajdują się w nim ośrodki wyższych czynności nerwowych np.
ośrodki mowy, pamięci kojarzenia, rozumienia, wrażeń. Bruzda środkowa oddziela
płat ciemieniowy od skroniowego
- Czołowy – przed bruzda znajdują się pola ruchowe, które kontrolują pracę mięśni
szkieletowych i odpowiadają za ruchy.
Choć waży 1300-1400 g
składa się z około 100 mld
komórek nerwowych
(neuronów).
Jak wyjaśnia Tyler, najpoważniejsze wyzwania to osiągnięcie dużej
rozdzielczości systemu, co pozwoli na kontrolowanie niewielkich struktur
oraz opracowanie metod głębokiej nieinwazyjnej penetracji, pozwalającej na
osiągnięcie głębiej położonych obszarów mózgu. Obecnie wykorzystywane
techniki w wielu przypadkach wymagają chirurgicznego wprowadzenia
elektrod do mózgu. A techniki nieinwazyjne albo charakteryzują się małą
rozdzielczością, albo sygnały nie docierają głęboko. Dlatego też uczonego
interesuje stymulacja ultradźwiękowa. Może ona zapewnić pięciokrotnie
lepszą rozdzielczość niż obecnie stosowane techniki nieinwazyjne, a
jednocześnie pozwala dotrzeć do równie głęboko położonych struktur mózgu
co metody inwazyjne.
lewa półkula odpowiada za zdolność logicznego myślenia oraz posługiwaniem
się mową, natomiast prawa za myślenie twórcze, związane z wyobraźnią i
zmysłami. Nie powinno być tajemnicą to, że nośnikiem informacji w naszym
mózgu są impulsy elektryczne przetwarzane przez neurony, których mamy
miliony. Idąc dalej, możemy powiedzieć, że powoduje to powstanie różnych
potencjałów i prądów elektrycznych o określonej, dość niskiej częstotliwości.
I właśnie tej częstotliwości poświęcę nieco więcej uwagi, gdyż to ona informuje
o poziomie aktywności mózgowej.
Zazwyczaj jest tak, że w czasie wykonywania jakiejś czynności któraś półkula
jest aktywniejsza, czyli częstotliwość jej pracy jest nieco większa. Powoduje to
powstanie pewnej różnicy częstotliwości, ale najbardziej pożądaną dla nas
sytuacją jest praca obydwu półkul na tym samym poziomie.
Zmiana wspomnianej częstotliwości fal mózgowych o kilka Hertzów może
wywołać u nas zupełnie inne samopoczucie. Dokonany został następujący
podział aktywności mózgowej:
- delta - częstotliwość do 4 Hz,
- theta - częstotliwość w zakresie między 4 Hz a 8 Hz,
- alpha - częstotliwość w zakresie między 8 Hz a 12 Hz,
- beta - częstotliwość w zakresie między 12 Hz a ok. 50 Hz,
Jednak można spróbować synchronizacji za pomocą darmowego
programu Brain Wave Generator, który można pobrać ze strony
www.bwgen.com . Po przejściu testu sprzętu audio użytkownik ma do
dyspozycji kilka tzw. presetów, wśród nich wspomniane poprawienie
koncentracji lub autohipnozę.
http://l-earn.net/index.php?id=449
Głęboka stymulacja mózgu DBS bezpośrednio zmienia aktywność
mózgu w kontrolowany sposób, jej efekt jest odwracalny (inaczej niż jest
to w przypadku wykonywanych czasem dotychczas w neurochirurgii w
celach leczniczych trwałych uszkodzeń niektórych dróg nerwowych w
mózgu) i jest jedną z nielicznych metod neurochirurgicznych,
poddających się obiektywnej ocenie metodą podwójnie ślepej próby
To, nad czym pracuje William Tyler ze School of Life Sciences przy
Uniwersytecie Stanowym w Arizonie na zlecenie amerykańskiej armii,
brzmi jak science-fiction. Założyciel firmy Synsonix opracowuje hełm dla
żołnierzy, który będzie wpływał na aktywność mózgu za pomocą
śródczaszkowych impulsów ultradźwiękowych.
Jak opisuje Tyler w blogu Armed with Science, wynalazek pozwala na celowe
stymulowanie wybranych rejonów mózgu bez konieczności umieszczania w
nich specjalnych elektrod. Metoda ultradźwiękowa jest pięć razy dokładniejsza
niż działająca z wykorzystaniem pól magnetycznych śródczaszkowa
stymulacja magnetyczna (TMS) i może poza tym docierać do głębszych
rejonów mózgu.
Projekt badawczy jest finansowany przez U.S. Army Research Development and
Engeneering Command (RDECOM) Laboratorium Badawczego Armii (Army Research
Laboratory – ARL), a także przez agencję DARPA. Jego celem jest dalsze badanie
wpływu ukierunkowanych impulsów ultradźwiękowych na poszczególne fragmenty
mózgu i zwiększenie ich precyzji. Być może technologia ta będzie stosowana w
hełmach amerykańskich żołnierzy. Wtedy na polu walki ultradźwięki będą usuwały
stres, redukowały odczuwanie bólu, poprawiały koncentrację i zapobiegały
traumatycznym uszkodzeniom mózgu.