Utilizând Imagistica prin Rezonanță Magnetică Funcțională
(fMRI), combinată cu modele de interpretare programate pe
calculator, un grup de cercetători de la Universitatea din
Berkeley, California, au reușit să reconstruiască senzații vizuale
dinamice, bazat pe hemodinamică. Începând cu anul 1990, fMRI se
pare că domină domeniul de prospectare a creierului plecând mai
ales de la faptul că este o metodă relativ ne invazivă. De la MRI,
la fMRI și ajungem să spunem că. . . Imagistica creierului va
dezvălui filme mentale. Astfel se prefigurează o zi, când oamenii
vor fi capabili să ajungă în mintea unui bolnav în comă și să
observe visele lui proprii prin imagistică video, YouTube.
Totuși, dacă ne gândim bine, aceasta nu este ca și cum am trece
de la vise în alb-negru la vise color ci de a obține modelarea
cantitativă a configurației de bază pe care o înregistrează
simțurile omului, mai ales simțul vizual, care ocupă pe cortex
suprafața cea mai mare. Adică a modela dispozitivul uman de
decodare vizuală.
O statistică fMRI (reprezentată cu
culoare galbenă) suprapusă pe
o anatomie obișnuită a scoarței creierului uman (reprezentată cu
culoare gri).
Scurt istoric
În anul 1990 Seiji Ogawa de la At&T Bell Laboratories face
cunoscut că fluxul de sânge în creier depinde de activitatea
neuronală. Când celulele nervoase sunt activate, este determinată o
alimentare mai mare a acestora cu glucoză, consumul de sânge crește
și culoarea lor se modifică. Acest lucru face ca determinarea
funcțiilor creierului cu MRI să devină funcțională. Pasul hotărâtor
a fost făcut de John W. Belliveau, în anul 1991, care a folosit
administrări intravenoase ca agenți de contrast paramagnetic.
Ulterior, s-a reușit a se demonstra că activitatea creierului poate
fi pusă în evidență și fără substanțe de contrast, pentru că,
urmare a creșterii fluxului sanguin în țesutul respectiv,
susceptibilitatea magnetica crește.
Diferența de semnal rezultată este foarte mică, iar întârzierea
în timp de 1-2 secunde, cu o persistență de 4-6 secunde.
Hemoglobina obișnuită este paramagnetică, dar oxigenată devine
diamagnetică, așa că Rezonanța Magnetică (MR) poate sesiza nivelul
de oxigenare. Problema însă este de a determina zonele cortexului
care sunt mai active la gândire, acțiune sau repetarea
experienței.
Grupul de cercetători de la Berkeley a înregistrat activitatea
creierului pe cortexul vederii în timp ce subiectul analizat privea
niște fotografii în alb-negru. Un model programat pe calculator a
fost construit în așa fel încât să le permită cercetătorilor să
vadă cu rezoluție cât mai mare imaginea privită de subiect.
În ultimul experiment, publicat on line pe 22 septembrie, în
Current Biology, echipa a prezentat realmente decodarea
semnalelor creierului generate de imagini în mișcare.
Procedeul a fost următorul:
- S-a înregistrat activitatea
creierului în timpul a câteva ore de vizionare a unor filme;
- S-au construit dicționare
(de la configurație văzută la imagine pe scoarță) pentru a traduce
formele, marginile, mișcările și activitatea creierului;
- S-au făcut înregistrări ale
activității creierului pe un nou set de filme care să poată fi
folosit pentru a verifica calitatea dicționarelor și
reconstrucțiilor;
- S-a construit o bibliotecă
aleatorie de vreo 18 000 000 de secunde pentru video. S-au pus
aceste clipuri în dicționare ca să genereze predicții ale
activității cerebrale. În final s-au selectat o sută de clipuri a
căror activitate de predicție s-a constatat a fi cea mai
asemănătoare cu cea observată în activitatea creierului. S-a
alcătuit o medie. Aceasta a constituit o reconstrucție.
Una din marile probleme care au trebuit să fie rezolvate a fost
decodarea semnalelor generate de creier la sesizarea imaginilor în
mișcare. Cum ar fi un dicționar inversat.
Deoarece procedeul a necesitat voluntari care să rămână mai
multe ore în interiorul scanerului MRI, ei însuși membrii echipei
de cercetare au servit ca subiecte pentru experimentare.
Se presupune că, prin aplicațiile practice ale tehnologiei la care
s-a ajuns, s-ar putea ajunge la o înțelegere mai bună a unor vise
și amintiri ca și crearea de interfețe pentru oameni cu care nu se
poate comunica verbal: victime șocate, pacienți în comă și oameni
cu boli nervoase degenerative.
Modelarea cantitativă a activității creierului uman poate
procura înțelegeri cruciale ale reprezentărilor corticale ale
activității creierului uman și poate forma baza aparaturii de
decodificare a creierului.
Dar s-o luăm pe îndelete. Una înseamnă fotografie și alta
înseamnă imagistica creierului și filmele mintale.
Imagine fotografică
Să începem cu camera fotografică. În grecește fotos
înseamnă lumină și graphy înseamnă pictură, scriere, . . .
de fapt o reproducere. S-a trecut de la camera obscură - o cameră
fără lumină care avea practicată o gaura și în care se putea obține
pe unul din pereții opuși ai camerei o imagine a ceea ce se afla în
afara cutiei.
Pentru a se putea înregistra imaginea obținută în camera obscură
s-a folosit la început clorura de argint aplicată pe placa de
sticlă și apoi pe film. Rezoluția pozei obținută după developare a
ajuns foarte mare, bazat fiind și pe creșterea calității
obiectivelor optice. La sfârșitul secolului XX s-a trecut la
fotografia digitală bazată pe efectul fotoelectric.
Actualmente s-a ajuns la performanțe și mai mari în ceea ce
privește bogăția culorilor și rezoluția atinsă care începe să
depășească calitățile filmului fotografic, prin introducerea
fotografierii digitale. În plus, facilitățile aduse de
înmagazinarea electronică a imaginii și de posibilitățile
nemaiîntâlnite de prelucrare și de transmisie, zi de zi mai
avansate, datorate calculatorului, au împins realizarea imaginii
obținute pe trepte nebănuite la începutul introducerii tehnicii
fotografice. Așa s-a ajuns de la lucrul în camera obscură
la prelucrare în camera pixelilor. O fotografie bine
focalizată procură o rezoluție digitală care permite mărirea
imaginii până la sute de ori, permițându-ne să vedem lucruri
inaccesibile ochiului liber. Dar, folosind radiația spectrului
vizibil fotografia ne arată numai suprafața lucrurilor.
Floarea aceasta de cactus are un
diametru de până la 2 cm.
Imagine Roentgen
Pentru scopuri medicale, de decelare a structurii interne a
corpului uman s-a introdus radiografia de diagnosticare pe bază de
raze X. Razele X sunt o radiație cu lungimi de undă mai mici decât
cele caracteristice undelor infraroșii, vizibile și ultraviolete,
dar cu lungimi de undă mai mari ca a razelor gama. Wilhelm Conrad
Roentgen (1845-1923) fizician german, a produs și a detectat
radiația electromagnetică în domeniul X. El a folosit un fascicol
de electroni emis de un catod alimentat la tensiune înaltă și care
atinge suprafața anodului. Anodul este orientat la 45 de grade,
față de fascicolul de electroni incident, pentru ca razele X să
iasă din balonul de sticlă vidat.
Razele X, spre deosebire de razele din spectrul vizibil, pot
penetra obiectele solide și astfel pot fi folosite la radiografii
medicale necesare diagnosticării bolilor. Razele X, la ieșirea din
corpul cercetat impresionează și ele filmul fotografic. La
traversarea corpului uman razele X sunt atenuate diferit la
trecerea prin elemente diferite ca densitate, așa că sensibilizarea
filmului fotografic se va face diferit pentru țesuturi cu
consistență diferită.
Radiografiile cu raze X au evoluat și ele foarte mult, dar și
ele au o limită de rezoluție. În plus la efectuarea acestor
radiografii trebuie ținut cont de cantitatea de radiație căpătată
de om la ședințele de diagnosticare specifice, pentru a nu se
depăși o limită care ar putea fi periculoasă. Nu mai vorbim de
măsurile de protecție care se iau pentru izolarea cabinetului unde
se folosesc aceste raze și pentru protecția personalului medical
care le folosește.
Imagistică pe bază de Rezonanță Magnetică
(MRI)
O tomografie pe bază de Imagistică cu Rezonanță Magnetică (MRI)
folosește proprietatea rezonanței magnetice nucleare de a alinia
atomii din cadrul corpului analizat. După înregistrarea efectului
se folosesc câmpuri de radiofrecvenţă suplimentare pentru a face o
revenire sistematică a alinierii țesuturilor produsă prin
magnetizare. Rezonanța magnetică face ca nucleele să producă un
câmp magnetic rotitor detectabil prin scanare ‒ şi această
informaţie este înregistrată pentru a construi o imagine a zonei
scanate a corpului. Gradienţii de câmp magnetic așa de puternici
fac ca nucleele din țesuturi diferite să se rotească cu viteze
diferite. Se pot obține de asemenea informații spaţiale prin
producerea de gradienți direcționați.
Rezonanța Magnetică (MR) oferă contrast bun chiar și între
diferite țesuturi moi ale corpului, ceea ce o face deosebit de
utilă în imagistica scoarței creierului, mușchilor, inimii și
țesuturilor canceroase. Și lucru salutat în mod deosebit, MRI nu
foloseşte radiație ionizantă. Rezoluția MRI este deosebit de mare
în comparație cu alte tehnici de imagistică medicală: tomografia
computerizată (CT) sau cea cu raze X.
Imagistică prin rezonanță magnetică funcțională
(fMRI)
Imagistica prin rezonanță magnetică funcțională este un tip de
MRI de specialitate folosit pentru a măsura hemodinamica
(modificările petrecute în fluxul sângelui), raportată la
activitatea neuronală din creier sau măduva spinării, la oameni sau
la alte animale. Este una dintre formele cel mai recent dezvoltată
de imagistică nervoasă. De la începutul anilor 1990, fMRI a ajuns
să domine domeniul de reprezentare a creierului din cauza
caracterului său invaziv relativ scăzut, a lipsei de expunere la
radiații şi a aplicației destul de largi.
Încă din anii 1980 este cunoscut că modificările în fluxul
sanguin ca și oxigenarea cu sânge a creierului este strâns legată
de activitatea neuronală. Când neuronii devin activi consumul de
energie, bazat pe glucoză crește. Răspunsul este creșterea fluxului
sanguin local, care se petrece cu o întârziere de circa 2-6 secunde
și care apoi scade din nou. Se constată pe locul respectiv al
scoarței cerebrale creșteri de volum ale fluxului sanguin. În plus
apariția de hemoglobină oxigenată, detectabilă prin efectul ei
paramagnetic, dă un contrast diferit față de hemoglobina
neoxigenată.
Toate aceste modificări măsurabile în cortexul vizual primar au
fost constatate ca urmare a unor stimuli vizuali. Și totul, a fost
măsurabil fără substanțe de contrast adiționale conducând la
confecționarea de hărți specifice. Semnalele diferențiate sunt
foarte mici, dar repetarea "dialogului": stimul vizual -
contraste măsurate, pe scoarță și medierea lor pe mai multe
cazuri asemănătoare duce la identificarea zonei creierului care a
fost activă.
Acest relief este obiectul unei cercetări susținute
destinate ajungerii la o corelare mai puternică cu fluxul de sânge
și rata metabolică. Dar, cu toată tehnologia impresionantă
utilizată, la care s-a ajuns, rezoluția pentru imagistică nu poate
scade încă sub 0,5 mm.
Studiile cu fMRI implică o abordare interdisciplinară complexă;
fizică, psihologie, neuroanatomie, statistică, electrofiziologie și
sistem educațional.
Avantajele fMRI sunt foarte apreciate: sunt non
invazive, au rezoluție foarte mare față de metodele anterioare.
Zonele cu variații depistate au în medie 2-3 mm tipic și nu trec de
1 mm diametru. Aceste zone sunt înregistrare ca semnale în orice
regiune a suprafeței cortexului. Acest lucru este foarte utilizat
în cercetarea de laborator și produce imagini convingătoare de
"activare" a creierului.
Dezavantajele constatate sunt de fapt și provocări și
nu pot fi ignorate date fiind pătrunderile scontate de această
cercetare evoluată:
- imaginile
trebuie interpretate cu multă precauție, dată fiind corelația cu
activitatea complexă a creierului, mai ales când judecăm relații
cauzale;
- metodele
statistice trebuie considerate cu discernământ pentru că acestea
pot da și rezultate false;
- semnalul de
relief relevat de hemodinamică este o măsură indirectă a
activității neuronale și deci poate fi influențat de schimbări non
neuronale din organism;
- semnalele
fMRI au o rezoluție slabă în timp, de 5 secunde, deci sunt greu de
diferențiat față de alte răspunsuri care se manifestă pe același
relief al scoarței;
- răspunsul
prin profil înregistrat poate fi afectat de mulți factori:
medicamente, vârstă, digestie, etc;
- răspunsul
în creier depinde și de focalizarea obiectului și de ce nu, de
felul cum gândim la momentul concentrării respective (a se vedea și
articolul Pe care parte
a telescopului trebuie să privim . . . chiar şi în era
televiziunii şi a Photoshop-ului?);
- diferă
răspunsul neuronal de la om la om, de la grup la grup, de la
cultură la cultură?
- efectele
amestecate influențează mai mult decât efectele întâmplătoare?
- se constată
că reproductibilitatea este influențată de nivelul analizei
realizate;
- depinde
răspunsul de concentrarea momentană a atenției, de experiența
individului, de oboseală, de interesul prezentat, . . . etc.?
Despre neuroni
Creierul omului are cam 1,3-1,4 kg. Greutatea unui singur neuron
mare este de ordinul unei milionimi de gram. Dimensiunea unui
neuron este de 4-100 microni. Nucleul neuronului are 3-18 microni.
Numărul de neuroni din cortexul creierului este de 21 milioane.
Suprafața cortexului este 2500 cm pătrați.
A propos de imagistică.
Imagistică bine venită folosită adesea în cercetarea
astronomică.
Aceasta dacă nu uităm florile.
Am putea deci să facem o comparație, între rezoluția atinsă de
MRI - răspunsul atins în urma analizei profilului de hemodinamici
decelate - și rezoluțiile fotografice atinse în prezent? Mă gândesc
dacă s-ar putea decela câți neuroni intră în suprafața minimă
considerată la rezoluția la care s-a ajuns cu MRI. Adică valoarea
unui pixel de rezoluție al MRI vis a vis de numărul de
neuroni din aceeași arie. Suntem în stare, până acum, să accedem un
singur neuron sau numai un număr mic de neuroni apropiați, incluși
în această suprafață? Probabil că acesta este de fapt drumul
principal de parcurs pentru mărirea rezoluției imagisticii și
proliferarea dicționarului. Oricum acest dicționar nu depinde de
limba vorbită de individ ci doar de modul de percepție care este
același pentru specia umană. Este vorba de limbajul simțurilor.
Domeniul de cercetare deschis de fMRI are o conotație
tulburătoare suprapusă. Dificultățile implicate în înaintarea
acestei cercetări, spuneam mai sus că sunt și provocatoare.
Gândirea creativă în toate
domeniile precede vorbirea, înainte ce logica sau lingvistica să
intre în joc, se manifestă prin emoții, imagini și simțăminte
ale corpului. Ideile rezultate pot fi traduse printr-unul sau mai
multe sisteme de comunicație formale, cum ar fi cuvintele,
ecuațiile, picturile, muzica sau dansul, dar numai după ce ele sunt
suficient de dezvoltate prin formele lor prelogice. Ne mai privind
la infinitatea detaliilor diverse de producere ale acestor
traduceri (picturi, poeme, teorii, formule și așa mai departe),
procesul prin care sunt realizate este universal. Învățarea
gândirii creative într-o disciplină deschide deci ușa înțelegerii
gândirii creative în toate disciplinele. Educarea acestei
imaginații creative universale este cheia cultivării celor care
studiază viața întreagă capabili de a modela inovații pentru
mâine. (Robert și Michèlle Root-Bernstein)
Este necesară o sinteză nouă, nu numai pentru a înțelege
gândirea în sine, dar de asemenea și pentru rațiuni pedagogice și
sociale. La nivelul imaginației creative, fiecare dintre noi
gândește la fel. De aceea, este necesară, după cum Robert și
Michèlle Root-Bernstein dezbat minunat în cartea lor, Cele
Treisprezece Mecanisme de Gândire, de: școlire a imaginației,
stimularea observației independente, realizarea picturii în minte,
abstractizarea, recunoașterea configurațiilor și formarea lor,
folosirea analogiilor, reconsiderarea gândirii corpului, imaginație
empatică pentru lucrurile și ființele apropiate, gândire în spațiu,
modelare a percepțiilor, jocul, descoperirea și reconsiderarea
descoperirilor trecutului, și sintetizarea în sine și în
educație.
Deci trebuie să înțelegem natura gândirii creative (urzeala)
dacă intenționăm să inventăm un sistem educațional capabil de a
educa gânditori creativi (bătătura). (A se vedea și
articolul Observat minus
Calculat (O-C) și . . . Aproximații Succesive) Pe această cale,
viitorul luminos al civilizației atât de rare în universul nostru,
atins deja pe planeta noastră ‒ lucru constatat și din cercetările
tot mai aprofundate din zilele noastre asupra civilizațiilor
extraterestre - va fi asigurat.
Să fim sănătoși și voioși, pentru că avem de ce. O facem doar
pentru noi.
Bibliografie:
http://ro.wikipedia.org/wiki/Fotografie
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging
http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_magnetic_resonance_imaging
(Accesat 6 noiembrie 2011)
http://newscenter.berkeley.edu/2011/09/22/brain-movies/
(Accesat 5 octombrie 2011)
https://sites.google.com/site/gallantlabucb/publications/nishimoto-et-al-2011
(Accesat 5 octombrie 2011)
Robert and Michèlle Root-Bernstein, SPARKS of GENIUS - The
13 Thinking Tools of the World's Most Creative People, Mariner
Books, Houghton Mifflin Company, Boston • New York, 1999.