Mapa ludzkiego mózgu

Mapę ludzkiego mózgu zaczęto tworzyć na długo przed rezonansem magnetycznym – zaczęło się od lekarzy, którzy obserwowali pacjentów z uszkodzeniami mózgu i na podstawie utraconych przez nich zdolności próbowali ustalić funkcje poszczególnych obszarów. Dziś naukowcy mogą mapować mózg na wielu poziomach: od całych struktur i połączeń nerwowych aż po pojedyncze komórki i aktywność genów.

Adobe Stock

Historia mapowania mózgu zaczęła się na długo przed erą rezonansu magnetycznego. Jednym z najważniejszych pionierów był niemiecki neurolog i neuroanatom Korbinian Brodmann. Na początku XX wieku badał pod mikroskopem korę mózgową, zwracając uwagę na rozmieszczenie, wielkość i budowę komórek nerwowych. Zauważył, że kora nie jest jednorodną warstwą, lecz składa się z obszarów różniących się budową komórkową.

W 1909 r. opublikował mapę kory mózgowej, dzieląc ją na 52 pola cytoarchitektoniczne, czyli obszary różniące się organizacją komórek. To właśnie dlatego do dziś w neurobiologii i medycynie mówi się na przykład o polach Brodmanna. Jego mapa nie była jednak mapą funkcji w dzisiejszym rozumieniu. Pokazywała przede wszystkim różnice w budowie tkanki. 

Płat czołowy mózgu – tam mieszka nasze "ja"

Płat czołowy to najmłodsza ewolucyjnie część naszego mózgu. Odpowiada za wyższe funkcje poznawcze, takie jak świadome planowanie, podejmowanie decyzji, kontrola impulsów, a także za samoświadomość. Według badań to w tej części mózgu kształtuje się nasze poczucie tożsamości, unikalność - tam mieszka nasze "ja".

Zanim naukowcy mogli zajrzeć do żywego mózgu za pomocą rezonansu magnetycznego czy tomografii, jego funkcje poznawano przede wszystkim dzięki pacjentom z uszkodzeniami mózgu. Lekarze obserwowali, jakie zdolności znikały po udarze, urazie, guzie czy operacji, a następnie – jeśli było to możliwe – podczas sekcji zwłok sprawdzali, która część mózgu została uszkodzona. Jeżeli podobne deficyty pojawiały się u kolejnych pacjentów z uszkodzeniami w zbliżonych miejscach, można było przypuszczać, że dany obszar odgrywa szczególną rolę w określonej funkcji. Tak odkrywano m.in. znaczenie lewej części płata czołowego dla mowy, kojarzone później z obszarem Broki, oraz znaczenie określonych struktur płata skroniowego dla rozumienia języka. 

Szczególnie słynne stały się przypadki pacjentów, których zmiany zachowania, utrata mowy czy zaburzenia pamięci pozwoliły neurologom tworzyć pierwsze funkcjonalne mapy mózgu. Były to swego rodzaju „naturalne eksperymenty” – nie można było oczywiście celowo uszkadzać mózgu, ale konsekwencje przypadkowych urazów i chorób dostarczały bezcennych informacji o tym, za co odpowiadają poszczególne jego części. Ta metoda nie odeszła całkowicie do historii wraz z pojawieniem się obrazowania. Współczesna neuropsychologia nadal analizuje zależności między miejscem uszkodzenia a utratą określonych funkcji, tyle że dzisiejsi badacze mogą dokładnie zlokalizować zmianę u żyjącego pacjenta i analizować takie przypadki w dużych grupach.

Zobaczyć mózg bez otwierania czaszki

Prawdziwa rewolucja przyszła wraz z metodami obrazowania. W latach 70. rozwój rezonansu magnetycznego pozwolił uzyskać obrazy struktur znajdujących się wewnątrz organizmu bez konieczności wykonywania zabiegu chirurgicznego. Paul Lauterbur i Peter Mansfield, których odkrycia przyczyniły się do stworzenia współczesnego MRI, otrzymali za nie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 2003 r. Dla neurobiologii znaczenie było ogromne. Nagle możliwe stało się tworzenie szczegółowych obrazów mózgu żywego człowieka. Można było mierzyć jego objętość, obserwować różnice pomiędzy strukturami, wykrywać zmiany chorobowe, a później także badać mózg w czasie wykonywania określonych zadań. Rezonans nie dał jednak jednej odpowiedzi na pytanie, „gdzie co jest”. Dał naukowcom narzędzie do tworzenia kolejnych, coraz bardziej szczegółowych map.

Mapa funkcji: mózg w czasie pracy

Jedną z najbardziej fascynujących metod okazał się funkcjonalny rezonans magnetyczny, czyli fMRI. Nie pokazuje on bezpośrednio aktywności pojedynczych neuronów. Rejestruje zmiany związane przede wszystkim z przepływem i utlenowaniem krwi, które towarzyszą aktywności określonych obszarów mózgu. Dzięki temu można było obserwować, które fragmenty mózgu zmieniają aktywność podczas mówienia, oglądania obrazów, rozwiązywania problemów matematycznych, przypominania sobie informacji czy reagowania na emocje.

Powstała w ten sposób mapa funkcjonalna. Okazało się jednak, że mózg nie przypomina planszy, na której każda czynność ma przypisane jedno pole. Poszczególne zadania angażują rozległe sieci połączonych ze sobą obszarów. Ten sposób patrzenia na mózg stopniowo odchodził więc od prostego pytania „który obszar odpowiada za daną funkcję?” w stronę pytania „jak współpracują ze sobą różne obszary?”.

Z mapy obszarów do mapy połączeń

Kolejnym etapem było stworzenie czegoś, co można porównać do mapy dróg w mózgu. To tzw. konektom – możliwie szczegółowy opis połączeń pomiędzy strukturami nerwowymi. Pomogło w tym obrazowanie metodą rezonansu dyfuzyjnego. Woda w tkance mózgowej nie porusza się przypadkowo. W istocie białej jej ruch jest częściowo ukierunkowany przez przebieg włókien nerwowych. Analizując dyfuzję wody, można więc pośrednio odtwarzać przebieg dużych wiązek włókien i tworzyć modele połączeń między różnymi częściami mózgu. Na tej podstawie powstał m.in. Human Connectome Project – międzynarodowy projekt, którego celem było stworzenie mapy strukturalnych i funkcjonalnych połączeń mózgu u żywych ludzi. Naukowcy zaczęli dzięki temu badać mózg nie tylko jako zbiór obszarów, ale jako rozległą sieć.

Ale gdzie są poszczególne komórki?

Obrazowanie mózgu żywego człowieka ma ogromną zaletę: można obserwować człowieka bez pobierania tkanki. Ma jednak poważne ograniczenie. Nawet najlepszy skan MRI nie pozwala zobaczyć pojedynczych neuronów. Aby zejść na poziom komórkowy, naukowcy muszą korzystać z innych metod. Badają tkankę mózgową pośmiertnie, kroją ją na niezwykle cienkie skrawki, barwią komórki, fotografują je, a następnie za pomocą komputerów składają tysiące obrazów w trójwymiarowy model. Jednym z najbardziej imponujących przykładów jest BigBrain – trójwymiarowy model ludzkiego mózgu zbudowany na podstawie ponad 7400 bardzo cienkich skrawków jednego mózgu. Jego rozdzielczość sięga poziomu mikroskopowego, dzięki czemu można analizować organizację kory z dokładnością niedostępną w standardowym MRI. Projekt opublikowany w 2013 r. stworzył swego rodzaju mikroskopijną mapę całego ludzkiego mózgu.

Takie atlasy pozwoliły dostrzec coś jeszcze: mózg nie jest zbudowany według prostego, identycznego dla każdego człowieka schematu. Granice wielu obszarów są jedynie prawdopodobne, a ich położenie i wielkość różnią się między ludźmi.

Julich-Brain: mapa dokładniejsza niż klasyczne atlasy

Jednym z najważniejszych współczesnych przedsięwzięć w tej dziedzinie jest Julich-Brain, rozwijany przez europejskich naukowców w ramach Human Brain Project. Badacze analizowali m.in. rozmieszczenie i zagęszczenie neuronów w różnych fragmentach kory. Na tej podstawie wyznaczali obszary o odmiennych właściwościach mikrostrukturalnych. W pierwszej dużej wersji atlasu zidentyfikowano blisko 250 strukturalnie odrębnych obszarów, wykorzystując dane z wielu mózgów. Ponad 24 tys. cienkich skrawków zostało zdigitalizowanych, złożonych w przestrzenny model i poddanych analizie. To ważna różnica w porównaniu z mapą Brodmanna. Ta pierwsza mapa była dziełem jednego badacza i opierała się na ograniczonym materiale. Współczesne atlasy uwzględniają zmienność pomiędzy ludźmi i wykorzystują wiele rodzajów danych. Dlatego dzisiejszy atlas mózgu przypomina bardziej Google Maps niż tradycyjną mapę anatomiczną. Można się po nim poruszać, powiększać wybrany obszar i nakładać na siebie informacje o jego budowie, połączeniach, aktywności i właściwościach molekularnych.

Mapa genów

Allen Human Brain Atlas, uruchomiony w 2010 r., miał pokazać, gdzie w ludzkim mózgu aktywne są poszczególne geny. Późniejsze badania, opublikowane w „Nature” w 2012 r., stworzyły szczegółowy atlas ekspresji genów obejmujący około 900 precyzyjnie zdefiniowanych obszarów mózgu u dwóch osób. Analizy wykazały wyraźne różnice w ekspresji genów pomiędzy regionami oraz charakterystyczne molekularne sygnatury poszczególnych części mózgu.

Jeszcze większy przełom nastąpił dzięki technikom biologii molekularnej pozwalającym analizować pojedyncze komórki. Naukowcy mogą dziś badać, jakie geny są aktywne w konkretnej komórce, jakie białka produkuje, z jakimi innymi komórkami się łączy i gdzie dokładnie się znajduje. W październiku 2023 r. opublikowano serię ponad 20 prac w czasopismach „Science”, „Science Advances” i „Science Translational Medicine”, będących efektem pracy międzynarodowych zespołów skupionych wokół BRAIN Initiative Cell Census Network. Badacze stworzyli niezwykle szczegółowe mapy komórkowe ludzkiego mózgu. W jednym z badań, obejmującym trzy ludzkie mózgi, wyróżniono ponad 3000 typów komórek. Nie chodzi przy tym o 3000 zupełnie różnych „rodzajów neuronów” w tradycyjnym znaczeniu. Klasyfikacja uwzględnia m.in. profile ekspresji genów i różnice molekularne. Dwie komórki mogą wyglądać podobnie pod mikroskopem, ale mieć inny zestaw aktywnych genów i pełnić odmienne funkcje.

Wciąż jednak nie istnieje jedna kompletna mapa ludzkiego mózgu. Nie znamy wszystkich jego typów komórek, wszystkich połączeń między nimi ani wszystkich zasad, według których powstają i zmieniają się sieci neuronalne. Nie potrafimy też przełożyć całej tej ogromnej ilości danych na kompletny opis tego, w jaki sposób z aktywności miliardów komórek powstają pamięć, myślenie, emocje czy świadomość.