Znajdź zawartość

Gdy na początku XX wieku naukowcy zaczęli wykorzystywać elektrody do rejestrowania aktywności mózgu, zauważyli sygnały, które nazwali „falami mózgowymi”. Od tamtej pory są one przedmiotem intensywnych badań. Wiemy, że fale są przejawem zsynchronizowanej aktywności neuronów, a zmiany w intensywności fal reprezentują zmniejszającą się i zwiększającą aktywność grup neuronów. Powstaje pytanie, czy i w jaki sposób fale te uczestniczą w przekazywaniu informacji. Kwestię tę postanowił rozstrzygnąć doktorant Tal Dalal z Multidyscyplinarnego Centrum Badań nad Mózgiem na Uniwersytecie Bar-Ilan. Z artykułu opublikowanego na łamach Cell Reports [PDF] dowiadujemy się, że badacze zmienili poziom synchronizacji fal mózgowych w obszarze przekazywania informacji. Następnie sprawdzili, jak wpłynęło to na przekazanie informacji i jak została ona zrozumiana przez obszar mózgu, do którego dotarła. Badacze skupili się na części mózgu zawiadującej układem węchowym. Charakteryzuje się ona bowiem silną aktywnością fal mózgowych, a za ich synchronizację odpowiada w tym regionie szczególny typ neuronów. Uczeni wykorzystali metody optogenetyczne, pozwalające na włączanie i wyłączanie aktywności neuronów za pomocą impulsów światła. Dzięki temu mogli obserwować, w jaki sposób włączenie i wyłączenie synchronizacji w jednym regionie wpływało na przekazywanie informacji do innego obszaru mózgu. Manipulacji dokonywano w miejscu (nazwijmy je regionem początkowym), w którym dochodzi do wstępnego przetwarzania informacji z układu węchowego. Stamtąd informacja, zsynchronizowana lub niezsynchronizowana, trafiała do kolejnego obszaru (region II), gdzie odbywa się jej przetwarzanie na wyższym poziomie. Naukowcy odkryli, że zwiększenie synchronizacji neuronów w regionie początkowym prowadziło do znaczącej poprawy tempa transmisji i przetwarzania informacji w regionie II. Gdy zaś poziom synchronizacji zmniejszono, do regionu II trafiała niepełna informacja. Naukowcy dokonali też niespodziewanego odkrycia. Ze zdumieniem zauważyliśmy, że aktywowanie neuronów odpowiedzialnych za synchronizację, prowadziło do spadku ogólnej aktywności w regionie początkowym, więc można się było spodziewać, że do regionu II trafi mniej informacji. Jednak fakt, że dane wyjściowe zostały lepiej zsynchronizowane kompensował zmniejszoną aktywność, a nawet zapewniał lepszą transmisję, mówi Dalal. Autorzy badań doszli więc do wniosku, że synchronizacja jest niezwykle ważna dla przekazywania i przetwarzania informacji. To zaś może wyjaśniać, dlaczego zmniejszenie poziomu synchronizacji neuronów, co objawia się mniejszą intensywnością fal mózgowych, może prowadzić do deficytów poznawczych widocznych np. w chorobie Alzheimera. Dotychczasowe badania pokazywały, że istnieje korelacja pomiędzy zmniejszonym poziomem synchronizacji, a chorobami neurodegeneracyjnymi, ale nie wiedzieliśmy, dlaczego tak się dzieje. Teraz wykazaliśmy, że synchronizacja bierze udział w przekazywaniu i przetwarzaniu informacji, więc to może być powód obserwowanych deficytów u pacjentów, mówi Dalal. Badania prowadzone przez Dalala i profesora Rafiego Haddada mogą doprowadzić do pojawienia się nowych terapii w chorobach neurodegeneracyjnych. Nie można wykluczyć, że w przyszłości uda się przywrócić odpowiednią sychnchronizację fal mózgowych u chorych. « powrót do artykułu

W Wielkiej Brytanii cierpiąca na zespół zamknięcia kobieta po udarze komponowała i odtwarzała muzykę za pomocą myśli. Chora przeszła udar, po którym jest w stanie lekko poruszać oczami, mięśniami twarzy i głową. Pacjentka uwielbiała uczestniczyć w eksperymencie. Powiedziała później, że po raz pierwszy od udaru poczuła, że znowu sprawuje nad czymś kontrolę – opowiada dr Palani Ramaswamy ze Szkoły Informatyki i Inżynierii Elektronicznej Uniwersytetu w Essex. Projekt to wspólne przedsięwzięcie Ramaswamy'ego i Eduarda Mirandy, specjalisty ds. muzyki komputerowej z Uniwersytetu w Plymouth. Podczas testów wykorzystywano fale mózgowe do operowanie skomputeryzowanym systemem muzycznym. Na głowę pacjentki założono czepek z elektrodami do EEG. W zależności od tego, na co kobieta patrzyła – w tym przypadku były to drgające z różnymi częstotliwościami obiekty – powstawały odmienne wzorce fal i elektrody je wychwytywały. Efekt podążania za częstotliwością zaadaptowano później w mechanizmach kontrolnych. Różne częstotliwości powiązano z różnymi instrumentami muzycznymi, na których pacjentka grała za pomocą oczu. To, co czyniło tę próbę tak wyjątkową, był fakt, że intensywność spoglądania na ekran, definiowana w kategoriach koncentracji uwagi, zapewniała większą kontrolę, a w tej konkretnej sytuacji większy zakres dźwięków [nut] dla każdego instrumentu – wyjaśnia Ramaswamy. Po paru godzinach kobieta z zespołem zamknięcia była w stanie zagrać minisolo orkiestrowe. Eksperyment prowadzono w szpitalu w Londynie (po raz pierwszy technologię wykorzystano nie w laboratorium i z pomocą kogoś chorego). Wyniki badań opublikowano w piśmie Music and Medicine.

Naukowcy coraz bardziej zbliżają się do stworzenia egzoszkieletu, który byłby sterowany za pomocą myśli sparaliżowanych osób. Ostatnio amerykańscy specjaliści opracowali technologię nieinwazyjnego izolowania i mierzenia aktywności mózgu poruszających się ludzi. Akademicy ze Szkoły Kinezjologii University of Michigan współpracowali z kolegami z Swartz Center for Computational Neuroscience Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Opisywana technologia stanowi kluczowy element interfejsu mózg-komputer. Zrobotyzowany egzoszkielet nie powstanie, oczywiście, szybko, ale możliwość nagrywania fal mózgowych kogoś wykonującego określone ruchy stanowi ważny krok naprzód. Za pomocą techniki swojego autorstwa naukowcy są w stanie stwierdzić, które części mózgu są aktywowane np. podczas chodzenia, i kiedy. Wcześniej można było mierzyć jedynie aktywność elektryczną mózgu ludzi pozostających w bezruchu. Daniel Ferris porównuje zastosowany zabieg do umieszczenia mikrofonu w środku orkiestry, po to by zlokalizować umiejscowienie i linię melodyczną określonych instrumentów. Podobnie jak w orkiestrze, w mózgu jest wielu hałasujących "utudniaczy". Mózg generuje bowiem dużo elektrycznego szumu. Poza tym poruszając się, nawet sama elektroda generuje zakłócenia. Amerykanom udało się zidentyfikować aktywność, o którą im chodziło, umieszczając na idącym lub biegnącym na bieżni człowieku dziesiątki czujników. Zdobyte w ten sposób dane porównano z opracowanym na postawie rezonansu magnetycznego modelem głowy. W ten sposób naukowcy mogli wskazać źródła aktywności mózgowej i zignorować resztę, jeśli nie pochodziła z mózgu. Ferris wyjaśnia, że do przełomu by nie doszło, gdyby nie nowe narzędzia komputerowe oraz doskonalsze elektrody z lepszym stosunkiem sygnał/szum. Tego typu technologiami interesuje się zarówno wojsko, jak i lekarze czy rehabilitanci, którzy mogliby skonstruować terapie lepiej dostosowane do potrzeb konkretnych pacjentów.

Naukowcy z Newcastle University jako pierwsi utrwalili spontaniczną aktywność nerwową w tkance usuniętej podczas operacji z mózgów osób chorych na padaczkę. Wg nich, umożliwia to opracowanie skuteczniejszych metod terapii epilepsji (Proceedings of the National Academy of Sciences). Zespół doktora Marka Cunninghama wykazał, że powiązane z padaczką szczególne wzorce fal mózgowych są raczej wywoływane przez elektryczne, a nie chemiczne połączenia między neuronami. Oznacza to, że tradycyjne leki są nieprzydatne. Do tej pory mogliśmy jedynie naśladować epilepsję na zwierzęcych modelach, ale to nigdy nie zapewni prawdziwego obrazu tego, co naprawdę dzieje się we wnętrzu mózgu chorego na padaczkę. Nasze odkrycia pozwalają zrozumieć, co przebiega nie tak, a to ważny krok naprzód w pracach nad terapiami przyszłości. Na początku u pacjentów z epilepsją stosuje się przeciwdrgawkowe leki. Jednak u ok. 30% chorych nie dają one pożądanych rezultatów. Dlatego są oni poddawani operacjom, w ramach których usuwa się tkankę będącą ogniskiem napadów. Akademicy z Newcastle University przeprowadzili swój eksperyment we współpracy z Epilepsy Surgery Group w Newcastle General Hospital i IBM Watson Research Centre w Nowym Jorku. Za zgodą pacjentów przenoszono wycinaną im tkankę do laboratorium i tam "oszukiwano", że nadal stanowi część żywego mózgu. Za sprawą informatyków zespół był w stanie utrwalać elektryczną aktywność pojedynczych neuronów oraz całych ich sieci. Porównując uzyskany zapis z aktywnością prawidłowej tkanki, badacze wyizolowali coś w rodzaju szumu – szczególny rodzaj fal (oscylacji), które występują w nietkniętym ludzkim mózgu i stanowią zwiastun napadu. Za pomocą wielu technik eksperymentalnych zespół wykazał, że z dużym prawdopodobieństwem nie jest on kontrolowany przez sygnały chemiczne, brane na cel przez konwencjonalne leki przeciwdrgawkowe, lecz przez oscylacje zależne od bezpośrednich połączeń elektrycznych. To tłumaczy, czemu farmakoterapia jest tak często nieskuteczna.

Fale mózgowe mogą bezpośrednio wpływać na zachowanie, badacze odkryli bowiem, że wzmacniając natężenie określonego ich rodzaju, są w stanie spowodować, by ludzie wykonywali wolne ruchy (Current Biology). Peter Brown z Uniwersyteckiego College'u Londyńskiego i zespół przyłożyli do skóry głowy 14 badanych prąd o niewielkim natężeniu. W tym czasie ochotnicy manipulowali położeniem punktu na ekranie komputera za pomocą dżojstika. Mieli to robić najszybciej, jak się da. Prąd zwiększał natężenie fal beta, które w ramach wcześniejszych badań połączono z podtrzymywaniem aktywności mięśni, np. dzierżeniem książki. Aktywność beta słabnie, nim człowiek wykona ruch. W odróżnieniu od innych autorów tego typu badań, Brytyjczycy nie stosowali stałej stymulacji mózgu. Oparli się na schemacie oscylacyjnym, naśladującym normalną aktywność mózgu. W rezultacie najlepsze czasy wolontariuszy pogorszyły się o 10%. Naukowców zaskoczyły uzyskane rezultaty, tym bardziej że prąd był tak słaby, iż badani niczego nawet nie poczuli. Przyczyniają się one do zrozumienia prawidłowego działania mózgu, mogą też pomóc w leczeniu chorób przejawiających się niekontrolowanymi bądź nadmiernymi ruchami, np. dystonii czy parkinsonizmu.

Naukowcy twierdzą, że każdy mózg ma swoją własną melodię, która zmienia się w zależności od różnych czynników, np. nastroju. Utrwalając fale mózgowe charakterystyczne dla danego stanu i przekładając je na nuty, można by powstałe w ten sposób utwory odtwarzać osobom ratującym życie innych, a więc policjantom czy strażakom. Dzięki temu w pracy działaliby oni sprawniej, a po powrocie do domu nie mieliby problemów z odpoczynkiem. Badacze z Działu Nauki i Technologii Departamentu Bezpieczeństwa Wewnętrznego USA opracowali nową formę neurotreningu "Muzyka mózgu". Tworzy się ją zawczasu na podstawie fal mózgowych ochotników, by potem pomóc im zwalczyć bezsenność, zmęczenie czy ból głowy (wszystkie wywołane stresem). Dźwięki o odpowiedniej częstotliwości, amplitudzie i czasie trwania mają "zmusić" mózg do przejścia od niepokoju do stanu relaksacji. Współpracujący z Departamentem specjaliści z Human Bionics LLC w Purcellville przetwarzali zapisy aktywności mózgu na dwie unikalne kompozycje. Klinicznie udowodniono, że jedna ze ścieżek dźwiękowych sprzyja relaksacji i ułatwia zasypianie, a druga polepsza koncentrację uwagi i usprawnia podejmowanie decyzji. Każdy z utworów trwa od 2 do 6 minut i jest odgrywany na pojedynczym instrumencie, głównie na pianinie. Relaksacyjny można ponoć porównać do melodyjnej sonaty Chopina, a motywujący brzmi bardziej jak Mozart. Gdy kończą się prace nad ścieżkami dźwiękowymi, dla każdego ochotnika ustala się indywidualny schemat odsłuchiwania. Dostosowuje się go do trybu życia i godzin pracy. Brain Music opracowano na podstawie opatentowanej technologii, powstałej na Uniwersytecie Moskiewskim. Tamtejsi naukowcy wykorzystywali fale mózgowe jako mechanizm sprzężenia zwrotnego do korygowania rozmaitych zaburzeń psychologicznych.

Firma NeuroSky zaprezentowała prototypowy system, który odczytuje fale mózgowe i pozwala użyć ich do sterowanie telefonem komórkowym. Prototyp wygląda jak standardowej wielkości słuchawki z dodatkowym czujnikiem dotykającym czoła właściciela. System mierzy fale mózgowe alfa i beta. Zdobyte w ten sposób dane mogą zostać pokazane na wyświetlaczu telefonu lub posłużyć do sterowania prostą grą. NeuroSky opracowało podobny system do zastosowań medycznych, a teraz wykorzystuje go, by wejść na rynek elektroniki użytkowej. Nową technologią interesują się producenci konsol do gier oraz firmy produkujące same gry. NeuroSky zdobyła już pierwszych klientów. Przedstawiony obecnie prototyp ma pokazać potencjalnym klientom, że za pomocą myśli możliwe jest też sterowanie telefonem komórkowym i innymi urządzeniami przenośnymi. Podczas pokazu wykorzystano telefon Nokii wyposażony w złącze Bluetooth, służące do bezprzewodowej transmisji danych. Zgromadzeni mogli obejrzeć na jego ekranie zebrane ze "słuchawek" dane dotyczące stopnia zrelaksowania mózgu operatora, poszczególne etapy jego skupiania się na 10 różnych zadaniach matematycznych, które miał do rozwiązania, oraz przekonać się, że fale mózgowe mogą służyć do przesuwania postacią w grze. W przyszłości NeuroSky planuje też zademonstrowanie systemu sterującego domowym zestawem audio-wideo. BBC opublikowało krótki wywiad z przedstawicielem NeuroSky.

Naukowcy z Wydziału Medycyny Uniwersytetu w Pittsburghu oraz Carnegie Mellon University przeprowadzili eksperymenty, podczas których małpy sterowały ramieniem robota za pomocą myśli. Wyłącznie za pomocą fal mózgowych zwierzęta wydały robotowi polecenie by wziął od człowieka piankę marsmallow i podał im ją do ust. To, jak dotąd, najbardziej zaawansowana technika pozwalająca na sterowanie urządzeniem za pomocą fal mózgowych. Wcześniej udawało się jedynie poruszać kursorem na ekranie. Badania dowiodły, że badania nad elektronicznymi protezami sterowanymi myślą, mają sens. Obie małpy najpierw uczono sterowania ramieniem za pomocą dżojstika. Następnie wszczepiono im do kory ruchowej mózgu siatkę składającą się ze 100 miniaturowych czujników. Podczas samego eksperymentu dłonie małp włożono w plastikowe tuby tak, by nie mogły za ich pomocą sięgnąć po smakołyk. Ten eksperyment tak naprawdę zbiera razem osiągnięcia wszystkich poprzednich i pokazuje, co jest już teraz możliwe - mówi doktor William Heetderks, z National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. Doktor John P. Donoghue, dyrektor Instytutu Badań nad Mózgiem na Brown University dodaje, że wspomniane badania to najbardziej wszechstronna demonstracja sposobu, w jaki zwierzęta oddziałują na obiekty za pomocą samych fal mózgowych. Co więcej, eksperymentatorzy zauważyli, że małpy używały też sztucznego ramienia w sposób, którego się wcześniej nie uczyły. Oblizywały sztuczne palce, potrafiły sobie poradzić, gdy smakołyk przykleił się do sztucznej dłoni. Używały jej w podobny sposób, w jaki używają własnych kończyn. Oznacza to, że ich mózgi szybko adaptowały się do nowych sytuacji.

Po raz pierwszy naukowcy zdobyli solidne dowody na to, że oddech i uderzenia serca mogą się synchronizować. Badacze przez wiele lat studiowali wzorce aktywności serca i innych narządów oraz zapisy fal mózgowych. Wytropienie jakichkolwiek zależności może pomóc w wyznaczeniu początków choroby. Normalnie oddychanie i tętno przebiegają w zupełnie innym rytmie. Serce uderza przeciętnie 60-70 razy na minutę, a w tym samym czasie bierzemy tylko ok. 12-14 oddechów. Wcześniejsze studia wykazały, że oddech i uderzenia serca mogą się do siebie dostosowywać, ale tylko w niewielkich grupach wolontariuszy, składających się z ok. 12 osób. Zespołowi Jana Kantelhardta, fizyka teoretycznego i obliczeniowego z Uniwersytetu Marcina Lutra w Hall, udało się zdobyć twardy dowód na istnienie opisanego zjawiska (Physical Review Letters). Akademicy obserwowali 112 zdrowych osób w różnym wieku (zarówno kobiet, jak i mężczyzn) na różnych stadiach snu. Istnieją dwa stany snu: faza REM (od ang. rapid eye movements) i NREM (non rapid eye movement sleep). Faza NREM składa się z 4 stadiów, które wyraźnie różnią się głębokością snu. Zdrowy sen to nic innego jak seria 1-2-godzinnych etapów. Z lekkiego uśpienia przechodzimy do snu głębokiego i fazy REM z marzeniami sennymi. Potem sen znowu ulega spłyceniu. Kantelhardt zauważył, że podczas lekkiego i głębokiego snu oddech oraz uderzenia serca synchronizowały się dwa razy częściej niż w stanie czuwania, natomiast podczas fazy REM trzy razy rzadziej. Można więc przypuszczać, że faza REM generuje szumy w układzie nerwowym, które zakłócają synchronizację sercowo-oddechową. Dalsze badania nad zależnościami między tętnem a oddechem czy ciśnieniem krwi mogą pomóc w opracowaniu lepszych narzędzi diagnostycznych dla pacjentów z chorobami serca.