A Biologiczne podstawy zachowań notatki z wykładów i ich uzupełnienie z książki PDF

Preview

Summary

notatki...

Description

Teoria chaosu – gdy jest wiele współdziałających elementów to nie wiadomo jak się one w przyszłości zachowają. Niewielkie zaburzenie warunków początkowych powoduje rosnące wykładniczo z czasem zmiany w zachowaniu układu. Popularnie nazywane jest to efektem motyla - znikoma różnica na jakimś etapie może po dłuższym czasie urosnąć do dowolnie dużych rozmiarów. Powoduje to, że choć model jest deterministyczny, w dłuższej skali czasowej wydaje się zachowywać w sposób losowy. Wg tej teorii niczego we wszechświecie nie da się przewidzieć (np. od skutków eksplozji supernowych, przez zmiany klimatu na naszej planecie, pogodę do nawet działania urządzeń elektrycznych i funkcjonowania organizmu człowieka)

Techniki neuroobrazowania: Struktura: CT, MRI, DTI Funkcja: fMRI, PET, SPECT, EEG, QEEG, MEG, TMS

Radiologiczne Metody Neuroobrazowania – od Diagnostyki Medycznej do „Twardej” Psychologii Badania psychologiczne typu testy (pytania i odpowiedzi) nie są obiektywne, nie dają podstaw do postawienia diagnozy neuropatologicznej. Natomiast neuroobrazowanie jest obiektywne.

Początki neuroobrazowania: 1) Wynalazek fotografii (1826r) - pierwsza fotografia, stworzona przez Francuza JosephaNicéphore’a Niepce’a na wypolerowanej płycie metalowej Jako substancję światłoczułą wykorzystał on asfalt syryjski – związki bitumiczne wytworzone z ropy naftowej. Otrzymane przez niego zdjęcie było jednak bardzo niedoskonałe. 2) Wynalazek maszyny liczącej czyli komputera (1855 rok) 3) 8 listopada 1895 roku niemiecki naukowiec Wilhelm Röntgen rozpoczął obserwacje promieni katodowych podczas eksperymentów z lampami próżniowymi. 28 grudnia 1895 roku opublikował on wyniki swoich badań w czasopiśmie Würzburgskiego Towarzystwa FizycznoMedycznego. Było to pierwsze publiczne ogłoszenie istnienia promieni rentgenowskich, dla których Röntgen zaproponował nazwę promieni X, obowiązującą do chwili obecnej w większości krajów (m.in. w krajach anglosaskich). 4) Rozwój nowego działu fizyki i chemii, noszący nazwę promieniotwórczości został rozpoczęty w roku 1896, kiedy francuski fizyk - Antoine Henri Becquerel odkrył promieniotwórczość naturalną. Naukowiec pewnego dnia pozostawił fragment rudy uranowej zawiniętej w papier fotograficzny w ciemnej szufladzie. Po pewnym czasie odkrył, iż na papierze pojawiły się charakterystyczne zaczernienia, świadczące o nowej, dotychczas nieznanej właściwości pierwiastków chemicznych. Tą właściwość Becquerel nazwał właśnie promieniotwórczością naturalną.

Metody radiologiczne w neuroobrazowaniu: Badanie rentgenowskie (RTG) Tomografia komputerowa (CT)

Badania z wykorzystaniem rezonansu magnetycznego: ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Rezonans magnetyczny (MR, MRI), Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) Obrazowanie tensora dyfuzji i traktografia (DTI – MR) Obrazowanie zależne od dyfuzji ( DWI) Spektroskopia rezonansu magnetycznego (MRS)

Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (SPECT) Pozytronowa tomografia emisyjna (PET)

Pneumoencefalografia (wentrykulografia powietrzna, ang. pneumoencephalography) – inwazyjny zabieg diagnostyczny ośrodkowego układu nerwowego, polegający na zastąpieniu części płynu mózgowo-rdzeniowego powietrzem, tlenem albo helem wprowadzonym przez nakłucie do kanału rdzenia kręgowego i wykonaniu zdjęcia rentgenowskiego głowy. Gazy kontrastują dobrze układ komorowy mózgowia, co pozwalało uzyskać przyżyciowy obraz komór mózgowia zanim wynaleziono i udoskonalono inne techniki diagnostyki obrazowej układu nerwowego, TK i MRI. Metodę stosowano szeroko w połowie XX wieku, zarzucono niemal całkowicie w latach 80. Przeprowadzenie badania było niezmiernie bolesne dla pacjenta i obarczone poważnym ryzykiem powikłań. Wcześniej stosowaną metodą z której rozwinęła się pneumoencefalografia była wentrykulografia, w której powietrze wprowadzano do układu komorowego przez otwory wiercone w czaszce.

BADANIE RENTGENOWSKIE CZASZKI (RTG) Powstawanie zdjęcia RTG: Ze względu na bardzo dużą przenikliwość promieniowania rentgenowskiego przechodzi ono częściowo przez ciało pacjenta, a następnie przez błonę rentgenowską (błonę fotograficzną czułą na promieniowanie rentgenowskie), gdzie jest rejestrowane w postaci obrazu. Promieniowanie, które nie zostanie całkowicie pochłonięte przez tkanki pacjenta, spowoduje jej zaczernienie, a im większą część promieniowania zatrzymają tkanki, tym mniejsze będzie to zaczernienie. Powstające w ten sposób zdjęcie jest negatywem i w takiej formie zdjęcia są wywoływane i analizowane przez lekarza. Do opisu negatywu stosuje się pojęcia przejaśnienie i zacienienie, jednak w przeciwnych znaczeniach tych słów (ze względu na naturę negatywu). Przejaśnienie to miejsce, gdzie do błony dotarła duża ilość promieniowania i powstało jej zaczernienie, natomiast zacienienie jest miejscem, w którym ono do niej nie dotarło (tak jak gdy światło widzialne nie dociera do błony fotograficznej i powstaje zaciemnienie, czyli cień), gdyż tkanki je zaabsorbowały. W tym drugim przypadku odnośny obszar błony jest biały (lub jasnoszary). Kość wykazuje znacznie większą zdolność absorpcji (pochłaniania) promieniowania niż otaczające ją tkanki miękkie, dzięki czemu widoczna jest na filmie jako miejsce niezaczernione. Im gęstsza tkanka tym silniej pochłania promieniowanie X (najsłabiej jest pochłaniane przez płuca, średnio przez serce i wątrobę a najsilniej przez kości). Dlatego uzyskujemy inny RTG obraz dla każdej tkanki. Zasady - różne pochłanianie promieni X przez kości, tkanki miękkie i powietrze, detekcja promieni – klisza rentgenowska

Zalety – niska cena, szybkość wykonywania badania, dostępność badania Wady - znikoma wartość, inwazyjność Możliwości diagnostyczne - stosuje się w oszacowaniu nieprawidłowości w budowie kości czaszki (zmiany urazowe, zniszczenia kostne, deformacje wrodzone) oraz w wykrywaniu fizjologicznych i patologicznych zwapnień wewnątrzczaszkowych (obręb mózgowia)

TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA TK (ang. computed tomography, CT) – rodzaj tomografii rentgenowskiej, metoda diagnostyczna pozwalająca na uzyskanie obrazów tomograficznych (przekrojów) badanego obiektu. Wykorzystuje ona złożenie projekcji obiektu wykonanych z różnych kierunków do utworzenia obrazów przekrojowych (2D) i przestrzennych (3D). Urządzenie do TK nazywamy tomografem, a uzyskany obraz tomogramem. Tomografia komputerowa jest szeroko wykorzystywana w medycynie i technice. Jest podstawowym badaniem obrazowym pozwalającym na uwidocznienie struktur śródczaszkowych.

Historia: Pierwszy tomograf, tzw. EMI scanner, został zbudowany w 1968 roku przez sir Godfreya Newbolda Hounsfielda, z firmy EMI Ltd, z Wielkiej Brytanii. Podstawy matematyczne tego wynalazku są zasługą austriackiego matematyka Johanna Radona. W 1917 roku udowodnił, że obraz dwu- i trójwymiarowego obiektu można odtworzyć w sposób zupełny z nieskończonej ilości rzutów tego przedmiotu. W 1956 roku Ronald N. Bracewell użył tej metody do stworzenia map słonecznych. Pierwsze urządzenia próbujące wykorzystać idee Radona budowali: w 1961 William Henry Oldendorf, w 1963 Allan MacLeod Cormack (Tufts University), w 1968 David Kuhl i Roy Edwards. Wszyscy oni przyczynili się do końcowego efektu osiągniętego przez Hounsfielda, który jako pierwszy stworzył działający system do diagnostyki i zaprezentował jego unikatowe możliwości. Hounsfield i Cormack otrzymali w 1979 roku Nagrodę Nobla za wynalezienie i budowę tomografu komputerowego. Pierwszy tomograf zainstalowano w szpitalu Atkinson Morley Hospital, w Wimbledonie, w Wielkiej Brytanii. Pierwszy pacjent został przebadany w 1972 roku. W USA sprzedawano go w cenie 390 000 USD, a pierwszy zamontowano w 1973 roku w Mayo Clinic i Massachusetts General Hospital. Ogólna zasada tworzenia obrazu tomograficznego: Źródło promieniowania i detektory poruszają się po okręgu prostopadłym do długiej osi pacjenta (dookoła obrazowanego narządu/obiektu), wykonując szereg prześwietleń wiązką promieniowania równoległą do płaszczyzny obrazowanej. Strumień danych z detektorów zawiera informacje na temat pochłaniania promieniowania przez poszczególne tkanki (elementy składowe obiektu). Dane zostają zapisane na twardym dysku komputera. Informacje z uzyskanych prześwietleń są poddawane obróbce komputerowej w celu uzyskania czytelnego obrazu. Za pomocą skomplikowanej analizy, uwzględniającej ile promieniowania zostało pochłonięte przy napromieniowaniu obiektu z danej strony, tworzone są obrazy przedstawiające kolejne przekroje badanego narządu. Obrazy są monochromatyczne (czarno-białe). Możliwa jest również obróbka komputerowa pozwalająca na przestrzenną rekonstrukcję poszczególnych narządów. Każdy przekrój przez obiekt jest dzielony na małe części, woksele, reprezentujące fragment obrazowanej objętości. Do każdego woksela przypisywana jest liczbowa wartość proporcjonalna do stopnia, w którym pochłania on promieniowanie. Aby w danej warstwie określić tę wartość dla n fragmentów, potrzebne jest przynajmniej n równań opisujących pochłanianie w danej warstwie. Trzeba więc posiadać n różnych projekcji tej warstwy. Im więcej mamy projekcji, tym lepszą dokładność obrazu uzyskamy. EMI scanner wykonywał obrazy o rozdzielczości 80 × 80 pikseli (6400 równań) z 28 800 projekcji. Współczesne tomografy wykonują nawet do 2 000 000 projekcji. Dzięki temu ich rozdzielczość sięga dziesiątków mikrometrów. Z powodu ilości równań wymaganych do odtworzenia obrazu, nie można

było zrealizować tomografii w chwili jej wynalezienia, w roku 1917. Dopiero pojawienie się komputerów z ich możliwościami obliczeniowymi utorowało drogę do praktycznego wykorzystania tomografii.

Zasada: 1) Różne pochłanianie promieniowania X przez różne tkanki 2) Ruch lampy rentgenowskiej wokół badanego obiektu 3) Zmiana charakteru odbiornika – zamiast kliszy RTG jest detektor prądowy co daje ucyfrowanie sygnału i jego analizę przez komputer Opcje wysokospecjalistyczne: 1) Rekonstrukcja trójwymiarowa wirtualna angioskopia CT 2) Wysoka wartość diagnostyczna, która wyparła normalne zdjęcia RTG Wady - badanie inwazyjne, kosztowne i długie, niska rozdzielczość czasowa Promieniowanie X jest promieniowaniem jonizującym, co wiąże się z potencjalnym zagrożeniem dla życia i zdrowia organizmów żywych w wypadku nadmiernej ekspozycji. W niewielkim, ale zauważalnym stopniu wzrasta ryzyko wystąpienia nowotworu Korzyści - Badanie za pomocą tomografu komputerowego jest bezbolesne i nieinwazyjne. Dostarcza bardzo szczegółowych informacji, które można przetworzyć cyfrowo na obrazy trójwymiarowe. Ma dobrą rozdzielczość przestrzenną. Ma stosunkowo szybki i prosty przebieg, może więc uratować komuś życie, ponieważ pozwala wykryć obrażenia wewnętrzne. Tomografy komputerowe nie wpływają negatywnie na działanie wszczepionych aparatów medycznych.

Sytuacje kliniczne gdy niezbędne jest CT głowy: 1) Obrzęk tarczy nerwu wzrokowego – guz czy wodogłowie? 2) Diagnostyka otępienna – guz, zanik mózgu czy wodogłowie? 3) Diagnostyka skutków udarów głowy - udar niedokrwienny czy krwotoczny? Gdzie jest ewentualne krwawienie? 4) Diagnostyka guzów mózgowych celem ustalenia wskazań do operacji 5) Ocena efektów leczenia neurochirurgicznego 6) Diagnostyka krwiaka pourazowego i urazów wewnątrzczaszkowych

REZONANS MAGNETYCZNY Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, zwyczajowo w skrócie rezonans magnetyczny – nieinwazyjna metoda uzyskiwania obrazów wnętrza obiektów. Ma zastosowanie w medycynie, gdzie jest jedną z podstawowych technik diagnostyki obrazowej (tomografii) oraz w badaniach naukowych. Stosowane w literaturze skróty to RM (rezonans magnetyczny), MRI (ang. magnetic resonance imaging), NMR (ang. nuclear magnetic resonance), MR (ang. magnetic resonance), RNM[1] (pochodzenie niejasne), często zamiennie ze znaczeniem „spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego”.

Rodzaje skanów MR: Obrazowanie MR może być przeprowadzone w różnych sekwencjach. Pozornie nieznaczne zmiany w ustawieniu podstawowych parametrów obrazowania mogą doprowadzić do uzyskania nieco odmiennych danych, dających różne możliwości diagnostyczne. Ze względu na parametry podstawowe, metody obrazowania dzieli się na: •

•

•

•

obrazy T1-zależne, najlepiej oddające wizualnie strukturę anatomiczną mózgu, gdzie istota biała jest ukazywana w jasnych kolorach, zaś istota szara w ciemnych, płyn mózgowo-rdzeniowy, ropień i guz na ciemno, a miąższ wątroby na jasno obrazy T2-zależne, na których istota biała ukazywana jest w ciemniejszych barwach, zaś istota szara w jaśniejszych, płyn mózgowo-rdzeniowy, guz, ropień, naczyniak wątroby i śledziona na jasno, a wątroba i trzustka na ciemno FLAIR (ang. fluid-attenuated inversion recovery), pewna modyfikacja sekwencji T2-zależnej, gdzie obszary z małą ilością wody ukazywane są w ciemniejszych barwach, zaś obszary z dużą ilością wody w jaśniejszych. Obrazowanie w tej sekwencji znajduje dobre zastosowanie w wykrywaniu chorób demielinizacyjnych. Obrazowanie dyfuzyjne mierzy dyfuzję molekuł wody w tkance. Wyróżnia się tutaj następujące techniki: obrazowanie tensora dyfuzji (ang. diffusion tensor imaging – DTI), które może być zaadaptowane do obrazowania zmian w połączeniach istoty białej, oraz obrazowanie zależne od dyfuzji (ang. diffusion-weighted imaging – DWI), które wykazuje dużą skuteczność obrazowania udarów mózgu.

Uzupełnieniem techniki RM jest spektroskopia rezonansu magnetycznego in vivo, pozwalająca na uzyskiwanie widm rezonansu magnetycznego badanych obszarów organizmu.

Zasada działania: 1) w silnym polu magnetycznym ustawiają się protony (wzdłuż linii sił zewnętrznych tego pola) 2) sygnał radiowy burzy ustawienie tych protonów (zmienia ich moment magnetyczny) 3) powrót wcześniejszego ustawienia po przeminięciu tego sygnału radiowego i wypromieniowanie energii 4) detekcja tego promieniowania przy pomocy cewek np. wokół głowy i zamiana impulsów magnetycznych na elektryczne co pozwala stworzyć w komputerze mapę rozkładu atomów wodoru czyli protonów Zalety: Nieinwazyjność i możliwość rozróżnienia istoty białej od szarej, wysoka rozdzielczość (można zdiagnozować SM) Wady - słaba rozdzielczość czasowa - nie potrafi pokazywać zmian w czasie, długi czas badania, wysokie koszty badania, słaba rozróżnienie zwapnień w obrębie tkanki mózgowej, pacjentów z klaustrofobią nie wykonujemy, przeciwwskazaniem do wykonania badania jest także obecność w ciele pacjenta elementów ferromagnetycznych takich jak: rozrusznik serca, wszczepialny kardiowerterdefibrylator serca, śruby w kościach, klipsy po tętniakach, implant ślimakowy itd Możliwości diagnostyczne: 1) 2) 3) 4) 5)

Można rozróżnić SM lub obrzęk okołokomorowy Rozróżnienie struktur mózgu Rozróżnienie krwi od płynu mózgowo-rdzeniowego Precyzyjne obrazowanie tych części mózgowia które są przy tomografii zamazane Obrazowanie pacjenta bez zmiany jego pozycji

FUNKCJONALNY REZONANS MAGNETYCZNY - fMRI Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, zwyczajowo funkcjonalny rezonans magnetyczny, w skrócie fMRI (od ang. functional magnetic resonance imaging) – wyspecjalizowana odmiana obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, za pomocą której mierzony jest wzrost przepływu krwi i utlenowania aktywnej okolicy mózgu. W metodzie tej wykorzystywany jest fakt, iż podczas aktywności komórek nerwowych zwiększa się ich zapotrzebowanie na tlen i nasila się produkcja dwutlenku węgla. Wzrost aktywności danego rejonu mierzy się przy pomocy odpowiedzi BOLD (ang. blood-oxygenation-level-dependent), która określa zależność intensywności sygnału rezonansu magnetycznego od poziomu natlenienia krwi[1]. W badaniach fMRI wykorzystuje się tę samą technikę, co w przypadku MRI, czyli silne, choć nieszkodliwe pole magnetyczne i fale radiowe. Zamiast tworzenia obrazów tkanek i organów, jak w badaniu MRI, fMRI skupia się na rejestracji zmian w utlenowaniu krwi w aktywowanych obszarach mózgu, które zwiększa się w okresie wzmożonej aktywności neurologicznej. Na podstawie zaobserwowanych zmian, lekarz otrzymuje informacje o tym, jak działa mózg pacjenta, przy pomocy czego może dokładnie zlokalizować rejony odpowiedzialne za konkretne procesy mózgowe, zaplanować operację, radioterapię, czy też diagnozować patologie w działaniu centralnego układu nerwowego, takie jak uszkodzenia spowodowane urazami, udarami czy chorobami takimi jak stwardnienie rozsiane czy choroba Alzheimera. Przed badaniem pacjent nie otrzymuje środka cieniującego, ani nie jest narażony na działanie promieniowania jonizującego, dzięki czemu fMRI jest bezpieczny dla pacjenta i nie niesie za sobą skutków ubocznych. fMRI sosuje się w medycynie i w nauce (neurobiologia, neuropsychologia) - dzięki niemu można określić jakie obszary mózgu są odpowiedzialne za poszczególne czynności mentalne i behawioralne Zasada działania: MRI rejestruje jedynie statyczny obraz struktury mózgu. Założeniem fMRI było rozszerzenie działania MRI o rejestrację zmian funkcjonalnych spowodowanych przez aktywność neuronalną. Wraz ze wzrostem tej aktywności w danym rejonie mózgu, rośnie także zużycie we krwi energii i tlenu, który przenoszony jest w cząsteczkach hemoglobiny. W momencie dotarcia do miejsca przeznaczenia, tlen zostaje uwolniony i dociera do mitochondriów, gdzie użyty jest do produkcji ATP. Cząsteczka hemoglobiny związana z tlenem, czyli oksyhemoglobina, ma własności diamagnetyczne i nie wpływa na czas relaksacji atomów wodoru. Po odłączeniu tlenu cząsteczka oksyhemoglobiny przekształca się w cząsteczkę niezwiązaną z tlenem, czyli deoksyhemoglobinę i nabiera właściwości magnetycznych, co powoduje skracanie czasów relaksacji atomów wodoru oraz lokalną zmianę jasności w obrazie MRI[4]. Aby wyrównać braki spowodowane pobraniem tlenu przez neurony, krew natlenowana dociera do aktywowanych miejsc, gdzie zastępuje krew nieutlenowaną. Oksyhemoglobina może dotrzeć do aktywowanego obszaru w czasie 3-5 sekund, a jej ilość przewyższa tę zużytą przez neurony. Powrót do pierwotnego stężenia deoksy- i oksyhemoglobiny zajmuje 10-20 sekund[5]. Przebieg badania: Przed badaniem pacjent proszony jest o zdjęcie metalowych elementów ubrania i biżuterii. Następnie pacjent kładzie się na łóżko, a jego głowę umieszcza się w tubie. Indukcja magnetyczna wytwarzana w skanerach może wynosić od 1 do 7 T. W celu stłumienia głośnych i nieprzyjemnych dźwięków wewnątrz skanera powodowanych m.in. przez prąd płynący przez cewkę elektromagnesu, pacjent zakłada słuchawki ochronne lub zatyczki. W czasie badania, w zależności od jego celu, pacjent najczęściej proszony jest o rozwiązanie zadań. Zadania mogą polegać na powtarzaniu słyszanych słów, liczeniu, dopasowaniu odpowiedniego podpisu do widocznego na ekranie obrazka za pomocą naciśnięcia odpowiedniego przycisku, stworzeniu odpowiedniego słowa, czy poruszeniu odpowiedniej kończyny. W wyniku badania pacjent otrzymuje mapę mózgu z widocznymi rejonami aktywności.

Historia: W 1890 William James odwołał się do prac fizjologa Angelo Mosso, który wynalazł pierwszą technikę neuroobrazowania polegającą na zapisie pulsacji kory mózgowej u pacjentów z ubytkami kostnymi w czaszce po zabiegach neurochirurgicznych. Na podstawie obserwacji zmian pulsacji

Mosso wywnioskował, iż zwiększenie przepływu krwi w odpowiednich rejonach mózgu zachodzi podczas zwiększonej aktywności umysłowej. W latach 30. ubiegłego wieku fizyk odkrył, że pole magnetyczne w połączeniu z falami radiowymi powoduje spin jąder atomów, czyli zachodzi zjawisko rezonansu magnetycznego. W 1936 roku Linus Pauling i Charles D. Coryell odkryli, iż właściwości magnetyczne oksy- i deoksyhemoglobiny są różne: deoksyhemoglobina jest paramagnetykiem a oksyhemoglobina jest diamagnetykiem.. W 1982 roku Keith Thulborn badał różnice podatności magnetycznej oksy- i deoksyhemoglobiny przy pomocy MRI w celu zmierzenia poziomu zużycia tlenu przez mózg. Ostatecznego powiązania aktywności neuronalnej z metabolizmem hemoglobiny i ideą rozszerzenia techniki MRI z tymi właściwościami dokonał w 1990 roku fizyk Seiji Ogawa, który odkrył, że naczynia krwionośne mniej utlenowane są gorzej widoczne podczas badania MRI. Intensywność obrazu zmieniającą się zależnie od poziomu deoksyhemoglobiny nazwano Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD). Ogawa postanowił wykorzystać to zjawisko w celu stworzenia MRI rozszerzo...