Khái quát các ứng dụng thiết bị trong sinh lý thần kinh

Sinh lý của hệ thần kinh cực kỳ phức tạp. Các cấu trúc mà chúng ta đang cố gắng đo lường cực kỳ nhỏ bé và số lượng các cấu trúc mà chúng ta muốn kiểm tra khiến tâm trí chúng ta bối rối. Một loạt các công cụ và kỹ thuật đã được phát triển để giúp chúng ta nghiên cứu hệ thống tuyệt vời này.

Nhiều phương pháp cố gắng xem xét cấu trúc và chức năng của não một cách vĩ mô. Những phương pháp này có độ phân giải đến từng milimet (tức là mức mà chúng ta có thể có được bằng mắt thường nếu chúng ta có cơ hội quan sát chính mô đó). Tất cả chúng ta đều quen thuộc với hình ảnh đẹp đẽ của bộ não được thể hiện qua lăng kính chụp cộng hưởng từ (MRI). Phương pháp này sử dụng nam châm rất mạnh để sắp xếp hạt nhân của các nguyên tử trong cơ thể bạn và kết quả có thể được phân tích để tạo ra hình ảnh hai hoặc ba chiều vượt xa những hình ảnh có được thông qua kỹ thuật chụp X-quang. MRI đặc biệt hữu ích đối với mô mềm, chẳng hạn như mô được tìm thấy trong não và chất tương phản có thể giúp bác sĩ xác định các cấu trúc khác nhau (chẳng hạn như khối u hoặc đặc điểm của nguồn cung cấp máu). Một lợi ích tích cực của MRI là nó không sử dụng bức xạ và do đó làm giảm đáng kể nguy cơ cho bệnh nhân. Một sửa đổi của MRI là MRI chức năng (fMRI), đo lưu lượng máu đến mô. Khái niệm fMRI là máu chảy đến mô phản ánh hoạt động trao đổi chất tăng lên, hàm ý chức năng của mô. Do đó, nếu ai đó đang nghe các từ và vùng Wernicke ở bán cầu trái đang hoạt động (“sáng lên”), thì các nhà nghiên cứu ngụ ý rằng vùng Wernicke rất quan trọng để nghe từ. Nếu cùng một đối tượng được cho nghe những âm thanh chói tai và hồi thái dương trên bên phải đang hoạt động, nhà nghiên cứu có thể kết luận rằng hai loại kích thích này được não xử lý khác nhau. fMRI tổng hợp thông tin trong khoảng thời gian từ 2 đến 3 giây, do đó độ phân giải theo thời gian bị hạn chế. fMRI cũng rất, rất ồn, làm giảm chức năng của chúng đối với các nghiên cứu tâm lý-âm học phức tạp. Các đường dẫn truyền biệt định của não có thể được hình dung bằng cách sử dụng hình ảnh tensor khuếch tán (DTI), cung cấp bằng chứng nổi bật về các vùng trong não (ví dụ: Mueller và cộng sự, 2013). MRI và fMRI cung cấp độ phân giải xuống khoảng 1 mm, một điều đáng chú ý. (Ngoài ra, hãy nhận ra rằng vỏ não dày từ 1 đến 5 mm, có thể tích 11.300 milimét khối và chứa 17.000.000.000 tế bào thần kinh. Độ phân giải 1 mm đó sẽ bao gồm hoạt động từ 1,5 triệu đến 7,5 triệu tế bào thần kinh.)

Một góc nhìn vĩ mô khác được cung cấp bằng chụp cắt lớp có sự trợ giúp của máy tính (CT hoặc CAT). Quét CT sử dụng chiếu xạ liều thấp để tạo ra hình ảnh ba chiều của mô đang nghiên cứu. Bệnh nhân có thể nuốt một chất tương phản để tăng cường các khía cạnh của mô, chẳng hạn như việc cung cấp máu trong mạch máu. Chụp CT khá hữu ích, cho hình ảnh về nguồn cung cấp mạch máu não, và có thể cho thấy bằng chứng xuất huyết hoặc thiếu máu cục bộ (tắc nghẽn) gây ra tai biến mạch máu não. Mật độ mô sẽ gây ra sự khác biệt trong hình ảnh, do đó các khối u có thể được nhìn thấy dễ dàng hơn qua chụp CT so với chụp MRI. Các biến thể của chụp CT bao gồm chụp cắt lớp vi tính phát xạ đơn photon (SPECT) và chụp cắt lớp phát xạ positron (PET). PET tương tự như fMRI ở chỗ nó cho biết lưu lượng máu, mặc dù cần sử dụng bức xạ ion hóa. PET cho phép các nhà nghiên cứu dán nhãn các chất dẫn truyền thần kinh và quan sát các vị trí hoạt động, đây là một lợi thế đáng kể so với fMRI.

Đo từ trường (MEG) đo từ trường do não tạo ra và cung cấp độ phân giải thời gian tuyệt vời (nhưng độ phân giải không gian kém). Việc triển khai MEG phổ biến nhất là thông qua các thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID).

Có nhiều phương pháp vi mô dành cho các nhà nghiên cứu và điều trị. Điện não đồ (EEG) đã có từ lâu đời vẫn là một phương pháp quan trọng trong lâm sàng và nghiên cứu. Điện não đồ đo hoạt động sóng não trên da đầu, cho thấy tần số hoạt động ở khoảng cách đáng kể so với nguồn phát. Phản ứng của thân não thính giác (ABR) là một ví dụ về hoạt động EEG gợi lên, trong đó các nhà thính học đo EEG của não so với kích thích thính giác, đặc biệt là hoạt động của thân não. Điện thế liên quan đến sự kiện (ERP) ghi lại hoạt động của vỏ não bằng cách sử dụng một bảng/ array lớn các điện cực. Không giống như ABR, ERP cho phép các nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng xác định chính xác hơn bộ tạo thần kinh để phản ứng với các kích thích (Johnson, 2009). Ví dụ, bằng cách sử dụng các phương pháp này, nhà nghiên cứu có thể tạo ra các kích thích bằng lời nói hoặc hình ảnh khác nhau theo một cách chiến lược nào đó (ví dụ: động từ so với danh từ) và xác định các vị trí kích hoạt chính cũng như những thay đổi xảy ra theo thời gian liên quan đến các kích thích. Đo lường đơn bào là một phần chính của nghiên cứu sinh lý thần kinh trong nhiều thập kỷ và những tiến bộ gần đây trong phương pháp vi mô hóa đã cho phép các nhà nghiên cứu xem hoạt động của một lượng nhỏ não ở động vật thí nghiệm (ví dụ: Andermann, Kerlin, Roumis, Glickfeld, & Reid, 2012; Martinez và cộng sự, 2005). Một biến thể sáng tạo của chủ đề này là đặt một lưới điện cực lên một phần não của một cá nhân đang được đánh giá để xác định vị trí của hoạt động co giật (điện não đồ [ECoG], còn được gọi là EEG nội sọ [iEEG]). Các điện cực được giữ vị trí trên bề mặt não (thường ở thùy thái dương, nơi dễ xảy ra hoạt động co giật), thường trong nhiều ngày khi bệnh nhân và bác sĩ chờ đợi cơn động kinh khởi phát (Keene, Whiting, & Ventureyra, 2000). Trong thời gian đó, các nhà nghiên cứu có thể đưa ra các kích thích cho bệnh nhân và thực hiện các phép đo trực tiếp từ não người. Phương pháp này lần đầu tiên cho phép các nhà nghiên cứu đo trực tiếp hoạt động phức tạp trong não người (ví dụ: Miller và cộng sự, 2007).

Có nhiều biến thể về công cụ đối với các thước đo vĩ mô và vi mô này. Nhiều phương pháp rất xâm lấn (yêu cầu đo trực tiếp mô thần kinh), trong khi một số khác là phương pháp gián tiếp. Một trong những hướng nghiên cứu hứa hẹn nhất liên quan đến kết nối chức năng động (DFC). Ví dụ, khi chúng ta thảo luận về các con đường dẫn truyền của não (chẳng hạn như con đường thính giác), chúng ta đang nói về các kết nối vật lý. Không giống như các kết nối vật lý, các kết nối chức năng là các kết nối quan hệ giữa các cấu trúc và tế bào thần kinh tạo nên chúng. Phần động của phương trình là các kết nối thay đổi theo chức năng. Ví dụ, các nhà nghiên cứu (Gonzalez-Castillo và cộng sự, 2015) liên tục quét não của những cá nhân thực hiện nhiệm vụ nhận thức dựa trên thị giác, kiểm tra mối quan hệ giữa kết nối chức năng trong não và độ chính xác của nhiệm vụ. Họ có thể cho thấy sự tương tác năng động mạnh mẽ giữa vỏ não thị giác, thùy não trước, tiểu thùy đỉnh dưới (hồi trên biên), đồi thị và vỏ não tiền vận động, với những thay đổi trong kết nối khi trạng thái tinh thần thay đổi. Hàm ý ở đây là các chức năng của chúng ta (ví dụ: ghi nhớ, lập kế hoạch, đọc) phụ thuộc vào nhiều đơn vị cấu trúc và các cấu trúc này cũng như các thành phần của chúng được đưa vào, và sẽ không hoạt động khi nhiệm vụ thay đổi. Các nhà nghiên cứu hiện đang lập bản đồ toàn bộ kết nối của não người (lập bản đồ tất cả các kết nối vật lý của nó), với quan điểm rằng điều này sẽ hỗ trợ chúng ta giải thích kết nối chức năng có thể nhìn thấy trong các nhiệm vụ (Stam và cộng sự, 2016), trong việc xác định ví dụ: các cá nhân thông qua hoạt động thần kinh (Finn và cộng sự, 2015), hoặc xác định việc ngừng kích hoạt mạng trong bệnh đau nửa đầu (Androulakis và cộng sự, 2018).