Metody badania aktywności mózgu
advertisement
Mózg – budowa, funkcje, higiena i metody badania Anna Sochocka 06. 06. 2011 Zakład Technologii Gier Plan seminarium: 1. • • • 2. • • Mózg Budowa mózgu Podstawowe cechy mózgu: potencjał spoczynkowy i czynnościowy Higiena mózgu Wybrane metody badania aktywności mózgu - metody nieinwazyjne EEG Metoda Ramo - Shockley’a Układ nerwowy Ośrodkowy ( centralny ) układ nerwowy: - Mózgowie ( kresomózgowie, międzymózgowie, śródmózgowie, móżdżek,rdzeń przedłużony ) - Rdzeń kręgowy - Rdzeń przedłużony Obwodowy układ nerwowy - Nerwy czaszkowe - Nerwy rdzeniowe Budowa neuronu Neuron jest najważniejszym elementem składowym układu nerwowego. W obrębie komórki nerwowej wyróżnia się ciało komórki i dwa rodzaje wypustek: długą (akson) i liczne wypustki krótkie (dendryty). Aksony przenoszą informacje z ciała komórki do innych komórek nerwowych lub narządów wykonawczych (efektorów), dendryty natomiast przekazują pobudzenia do ciała komórki nerwowej. Poszczególne komórki nerwowe łączą się ze sobą poprzez złącza (synapsy), które pośredniczą w przekazywaniu informacji. W zależności od rodzaju substancji chemicznej pośredniczącej w przekazywaniu pobudzenia, wyróżnia się synapsy pobudzające i hamujące. Komórka nerwowa Komórka nerwowa, neuron przystosowana do przewodzenia i przetwarzania, a także wytwarzania bodźców nerwowych. Charakteryzuje się tym, że przewodzi bodźce zawsze w jednym kierunku od dendrytów do ciała komórki (perikarionu) i z komórki dalej przez neuryt (wypustkę osiową). Każda z komórek nerwowych mózgu, może wytworzyć połączenia z 1028 innych komórek liczba wszystkich możliwych kombinacji w całym mózgu to cyfra 1 z rzędem zer o długości 10,5 km! Budowa mózgu Mózg (łac. encephalon z gr. en "w, wewnątrz" i kephalos "głowa") - część ośrodkowego układu nerwowego leżąca w czaszce. Mózg składa się z pięciu części: - Kresomózgowie - Międzymózgowie - Śródmózgowie - Tyłomózgowie wtórne - Rdzeń przedłużony Kresomózgowie Kresomózgowie jest największą częścią mózgu. To ośrodek decyzyjny mózgu. Nadzoruje większość czynności fizycznych i umysłowych. Różne obszary kresomózgowia są odpowiedzialne za rozmaite reakcje świadome. Kresomózgowie skupia ponad połowę neurytów, zbudowane jest z dwóch półkul mózgowych oddzielonych podłużną szczeliną i połączonych spoidłem wielkim. Powierzchnię mózgu tworzą silne fałdy zwane zakrętami, porozdzielane bruzdami, największa bruzda – Rolanda – przedziela mózg na pół. Mózg człowieka można podzielić na dwie półkule. Jedna z nich, tzw. Willi (prawa), posługuje się rytmem, przestrzenią, wyobraźnią, dźwiękiem, kolorami, postrzega wymiary i obraz całości. Druga z nich, tzw. Wilfrded (lewa), posługuje się logiką, liczbami, słowami, hierarchią, linearnością, analizą, zbiorami. Widzi szczegóły, a nie dostrzega obrazu całości. Kora mózgowa Kora mózgu pokrywa zewnętrzną powierzchnię półkul mózgowych. Jest zbudowana z istoty szarej, którą stanowią komórki neuronów. Jest bardzo silnie pofałdowana, dzięki czemu przy niewielkiej objętości zajmuje sporą powierzchnię. Kora mózgowa odbiera i analizuje informacje z narządów zmysłów. Odbywają się w niej także procesy skojarzenia, stąd też wysyłane są instrukcje określające reakcje ruchowe. Odpowiada za czucie somatyczne, widzenie, słyszenie, czucie, uczenie się oraz planowanie i polecenie ruchów. Dzieli się na korę starą (układ limbiczny), odpowiadającą za stany emocjonalne i popędy oraz kontrolę podwzgórza i korę nową. Uszkodzenie kory mózgowej może doprowadzić do zaburzeń funkcji związanej z uszkodzonym obszarem (np. niedowład, zaburzenia mowy, niedowidzenie) lub wyzwolić nadmierną aktywność komórek leżących w sąsiedztwie uszkodzenia. Płat potyliczny Funkcje: widzenie, analiza koloru, ruchu, kształtu, głębi, skojarzenia wzrokowe, ocena, decyduje czy wrażenie jest analizowane i jaki jest jego priorytet Płat skroniowy Funkcje: słuch muzyczny, fonematyczny i wrażenia dźwiękowe, rozumienie mowy, gramatyka, prozodia, rozpoznawanie obiektów, kategoryzacja obiektów, pamięć werbalna, zapamiętywanie, analiza zapachów Płat ciemieniowy Funkcje: - część górna: czucie dotyku, temperatury, bólu, umiejscowienie wrażeń czuciowych - prawa część dolna: orientacja przestrzenna, układ odniesienia na podstawie wrażeń wzrokowych - lewa część dolna: modelowanie relacji przestrzennych ruchów palców - pomiędzy i część przyśrodkowa: celowe ruchy, integracja ruchu i wzroku integracja czucia i wzroku w jeden percept manipulacja obiektami wymagająca koordynacji i wyobraźni przestrzenno/ruchowej rozumienie języka symbolicznego, pojęć abstrakcyjnych, geometrycznych Płat czołowy Funkcje: - część górna - funkcje ruchowe, pierwotna kora ruchowa, kora przedruchowa, dodatkowa kora ruchowa pamięć wyuczonych działań ruchowych, nawyki, specyficzne schematy zachowań, wyrazy twarzy - lewy płat - obszar Brocka (mowa) - pola czołowe oczu (ruch gałek ocznych zależny od woli) - część przedczołowa: "zdawanie sobie sprawy" planowanie i inicjacja działania w odpowiedzi na zdarzenia zewnętrzne, oceny sytuacji, przewidywanie konsekwencji działań - symulacje w modelu świata konfromizm społeczny, takt, wyczucie sytuacji, analiza i kontrola stanów emocjonalnych, ekspresji językowej uczucia błogostanu (układ nagrody), frustracji, lęku i napięcia - lewy płat - kojarzenie znaczenia i symbolu (słowa), kojarzenie sytuacyjne pamięć robocza, wola działania, podejmowanie decyzji, relacje czasowe, kontrola sekwencji zdarzeń część podstawna, kora okołooczodołowa Mózg - ciekawostki - Większy od grejpfruta, mniejszy od sałaty - Mieści się w jednej ręce - Waży mniej, niż 1500gram - 1 bilion komórek (100 md aktywne i 900 md glejowe) - Ma większe możliwości, niż komputer Mózg człowieka jest zawsze aktywny. Nawet podczas snu, co sekundę przekazywane jest ponad 50 milionów impulsów. Jest to energia zbliżona do ilości energii jaką potrzebujemy do zasilenia 10-watowej żarówki. Odbiór bodźców następuje w półkulach " na krzyż". Dzięki temu prawa półkula odpowiedzialna jest za odbiór informacji i bodźców z lewej części ciała i odwrotnie, lewa półkula odpowiada za prawą stronę ciała. JAK ROZWINĄĆ NIE WYKORZYSTANE MOŻLIWOŚCI NASZEGO MÓZGU ? Skojarzyć rzecz z silnie oddziałującym na nas obrazem Stosować dietę wysokoenergetyczną Uprawiać sport Pozytywny sposób myślenia Higiena umysłu Mózg ludzki stanowi ok. 2% wagi ciała, ale pobiera aż 20% energii i ok. 25% tlenu dostarczanego naszemu organizmowi. Żywi się glukozą (nie oznacza to jednak, że my powinniśmy się żywić głównie czekoladą i batonikami) spalaną w obecności tlenu Dieta mózgu: Marchew pozytywnie wpływa na przemianę materii w mózgu. Ananas i cytryna są bogate w witaminę C, która poprawia pamięć i ułatwia przyswajanie żelaza, które z kolei jest odpowiedzialne za transport tlenu w naszym organizmie. Odpowiednia dawka tlenu sprawia, że nie jesteśmy zmęczeni i łatwiej przyswajamy informacje. Tyrozyna zawarta w bananach zwiększa nasze siły twórcze i zdolność koncentracji. Banany (tryptofan) i truskawki (pektyny) podniosą naszą odporność na stres i poprawią samopoczucie. Cebuli pomaga ona w ukrwieniu mózgu, czyli m.in. dostarczeniu mu substancji odżywczych ( dzięki niej nie będziemy zmęczeni ) Kapusta pomoże nam się zrelaksować i zmniejszy naszą nerwowość poprzez spowolnienie aktywności tarczycy. Rośliny strączkowe i ziarna są źródłem lecytyny (soja, kiełki pszenicy, orzechy), która poprawia pamięć oraz magnezu (pestki dyni, kasza gryczana, migdały, biała fasola), kojącego nasze skołatane nerwy. Nienasycone kwasy tłuszczowe ( zawarte m. in w rybach morskich i krewetkach) - z tłuszczów zbudowane są osłonki neuronów, które decydują o szybkości przepływu informacji przez włókna nerwowe. W efekcie nasze procesy myślowe i wszelkie działania są efektywniejsze. Chude mięso i drób dostarczy naszym organizmom lekkostrawnych białek. Należy pamiętać, że białko jest podstawowym budulcem wszystkich komórek naszego organizmu. Mięso i ryby są również źródłem witaminy PP, którą powinniśmy przyjmować, jeśli chcemy by nasza pamięć była niezawodna Wątróbka, jaja, kalafiory i kapusta włoska zawierają cholinę – jeden ze składników lecytyny, pobudza układ nerwowy, wzmacniając tym samym zdolność koncentracji i zapamiętywania, a także refleks. Łosoś, makrela, śledzie, sardynki zawierają witaminę B12 – nazywaną „witaminą mózgu” (ze względu na to, że jej niedobór przyczynia się do zaburzeń neurologicznych) – poprawia koncentrację i pamięć, a także zwiększa wydolność psychofizyczną. W odróżnieniu od B12, witamina B1 uzyskała miano „witaminy nastroju”. Pomaga uzyskać dobre samopoczucie, usuwa zmęczenie, nerwowość, irytację. Znajdziemy ją w chudej wieprzowinie, kaszy gryczanej i jęczmieniu. Węglowodany także są istotnym elementem diety. Poprzez reakcje chemiczne stymulują wytwarzanie przez mózg serotoniny. Uruchamia to układ obrony przeciwstresowej, zmniejszający napięcie emocjonalne. Lepiej dla nas, gdy będziemy spożywać węglowodany złożone, zawarte w ciemnym chlebie, naleśnikach, brązowym ryżu czy makaronie, niż pójdziemy na łatwiznę i zjemy czekoladowy baton. Dla poprawienia kondycji naszego umysłu dobry jest również potas zawarty w ziemniakach, pomidorach i roślinach strączkowych Siemię lniane, które z powodzeniem może służyć jako dodatek do kanapek lub sałatek jest bogate w kwasy omega-3, a musicie wiedzieć, że stanowią one 60% naszej tkanki mózgowej. Ich niedobór prowadzi do depresji, podwyższenia poziomu cholesterolu i ciśnienia krwi Imbir poprawia nasze zdolności twórcze poprzez ułatwienie dokrwienia mózgu Kawa ( kofeina ) pobudza nas intelektualnie, sprawia, że postrzeganie staje się łatwiejsze, procesy myślowe sprawniejsze, kofeina wzmacnia połączenia nerwowe w korze czołowej i przedczołowej, a te z kolei odpowiedzialne są bezpośrednio za naszą pamięć krótkotrwałą (dawka kofeiny: 100-200 mg dziennie (1-2 kubki kawy)) Znajdź ukrytą twarz… Stara czy młoda ? Potencjał spoczynkowy neuronu Podstawową cechą układu nerwowego jest pobudliwość, czyli zdolność reagowania na bodźce i zdolność przewodzenia impulsu. Przenoszeniu impulsu towarzyszą zmiany elektryczne w postaci tzw. potencjału czynnościowego Przenoszenie potencjału polega na przesuwaniu jonów po obu stronach błony komórkowej. W stanie spoczynku między wnętrzem komórki a środowiskiem zewnątrzkomórkowym panuje różnica potencjałów około -90mV Wnętrze komórki Środowisko zewnątrzkomórkowe Neuron posiada ujemny potencjał spoczynkowy. dodatnie ujemne Potencjał spoczynkowy polega na tym, że stężenie jonów potasu i chloru ( +K, - Cl ) jest większe wewnątrz, a sodu na zewnątrz neuronu ( + Na ). Bierze się to stąd, że błona komórkowa w spoczynku jest o wiele mniej przepuszczalna dla jonów sodu niż dla jonów potasu. Przewodzenie impulsu Pod wpływem bodźca następuje depolaryzacja błony, zwiększa się jej przepuszczalność dla jonów sodu, które wpadają do środka. W chwili pojawienia się potencjału czynnościowego, potencjał komórki staje się dodatni w stosunku do środowiska pozakomórkowego, ponieważ w środku komórki jest teraz nadmiar dodatnich ładunków elektrycznych. Wnętrze komórki v + + Na +K - Cl Środowisko zewnątrzkomórkowe - Podczas powrotu błony do stanu normalnego tzw. „pompa sodowo-potasowa,” wypycha sód i wsysa z powrotem potas Wnętrze komórki - Środowisko zewnątrzkomórkowe + Do wywołania depolaryzacji potrzebny jest tzw. bodziec progowy. Bodziec progowy jest minimalnym bodźcem, jaki jest potrzebny do wywołania potencjału czynnościowego. Każdy silniejszy bodziec (nadprogowy) również wywoła depolaryzację, jednak żaden poniżej progowego nie pobudzi błony Przebieg pobudzenia neuronu. Fala depolaryzacji przesuwa się i przenosi na dalsze odcinki. Po przejściu impulsu błona komórkowa natychmiast się repolaryzuje, czyli powraca do stanu spoczynkowego. Po krótkim okresie odnowy, czyli tzw. okresie refrakcyjnym (bezwzględnej niewrażliwości włókna na bodźce), może znów powstać nowy przebieg potencjału. Cykl depolaryzacji i repolaryzacji trwa około 1 milisekundy. Obserwując z zewnątrz błonę komórkową neuronu można stwierdzić że jest ona naładowana dodatnio w stanie spoczynku a impuls nerwowy jest spostrzegany jako przemieszczający się obszar ładunku ujemnego . Przewodzenie impulsu Potencjał czynnościowy wędruje wzdłuż neurytu aż do styku z następnym neuronem tzw. synapsy. Między synapsami jest szczelina. Impuls jest przenoszony w sposób ciągły mimo szczelin. Jest to możliwe dzięki specjalnym substancjom chemicznym tzw. przekaźnikom lub mediatorom uwalnianym przez zakończenia nerwowe. Do mediatorów zaliczamy m.in. adrenalinę czy serotoninę Metodologia badania mózgu Techniki badania mózgu mogą być inwazyjne lub nieinwazyjne. Metoda inwazyjna polega na wszczepieniu bezpośrednio do kory mózgowej odpowiednio małych elektrod. Jakość otrzymanego sygnału jest wyższa ale pojawia się ryzyko związane z operacja i ewentualną infekcja dlatego metodę tę stosuje się tylko w szczególnych przypadkach - u osób sparaliżowanych. Metody nieinwazyjne polegają na analizie fal mózgowych przez czujniki zamontowane w specjalnej czapce lub hełmie na głowie użytkownika. Metody nieinwazyjne: • fMRI : Funkcjonalne obrazowanie za pomocą rezonansu magnetycznego • EEG : Elektroencefalografia • MEG : MagnetoEncefalografia • fNIR : Funkcjonalne obrazowanie w podczerwieni Elektroencefalografia EEG - Elektroencefalografia - nieinwazyjna metoda diagnostyczna służąca do badania bioelektrycznej czynności mózgu. Badanie polega na odpowiednim rozmieszczeniu na powierzchni skóry czaszki elektrod które rejestrują zmiany potencjału elektrycznego na powierzchni skóry, pochodzące od aktywności neuronów kory mózgowej i po odpowiednim ich wzmocnieniu tworzą z nich zapis – elektroencefalogram. Pierwszy polski zapis EEG został zarejestrowany przez Adolfa Becka, który swoją pracę opublikował w 1890 r. Pierwsze badanie EEG na człowieku przeprowadził Hans Berger, psychiatra z Jeny ( 1925 r. ). Hansa Bergera (1873-1941) Adolf Beck (1863-1942) W zapisie EEG wyróżnia się: fale (zasadnicza część składowa EEG, prosta, krótkotrwała zmiana różnicy potencjałów), rytmy (wielokrotne powtórzenie fali). Nazwa Amplituda [uV] Częstość [Hz] Alfa 40 - 100 8 - 13 Beta 5 - 25 14 - 30 Theta do 30 4-8 Delta około 50 1-3 Kształt V sek A może by tak coś nowego… „Cracov Human Brain Project” Grup: Paweł Lasko f K. Łojek S. Micek R. Płaneta M. Misiaszek A. Sochocka Z. Sosin R. Zyss Twierdzenie Ramosygnał – Shockley’a W większości detektorów promieniowania generowany jest jako impuls prądowy. Twierdzenie Ramo pozwala obliczyć prąd indukowany przez ruch ładunków Twierdzenie Ramo pozwala obliczyć prąd indukowany przez ruch ładunków. ,i M. idzik (r ) v •położenie • r położenie ładunku ładunku •położenie ładunku Wyindukowany prąd jest proporcjonalny do prędkości ładunku i pola wagowego idt Q U Od teorii do realizacji … Q C PA i elektroda E U(t) t elektroda X 64 v q Aparatura pomiarowa laptop przedwzmacniacz ładunkowy wzmacniacze „PA” i/lub PA i/lub przetwornik ADC-flash 1kHz PA i/lub PA akumulatory zasilacze X 64 Co moglibyśmy mierzyć: - sygnały z mózgu - sygnały z serca - sygnały mięśniowe -korelacje między nimi Układ fizyczny symulujący fale mózgowe Przetworniki analogowo - cyfrowe ADC Sterownik kontrolera USB dane linie ster. Kontroler USB dane linie ster. Program graficzny na PC 2. Hardware: (ADC + sterownik kontrolera USB) + kontroler USB Przetworniki analogowo - cyfrowe ADC Sterownik kontrolera USB Kontroler USB AtMega 8 FT 245 własności : - wbudowanych 6 ADC 12-bit. - 8kB pamięci FLASH (sterowanie FTDI) - prostota użycia - USB 2.0 Dla pomiarów pola elektrycznego generowanego przez komórki układu nerwowego zbudowaliśmy prototyp zmodyfikowanego przedwzmacniacza ładunkowego (integratora) „PA”, który posiada unikatowe własności: - odporny na mogące pojawić się w wyniku elektryzowania wyższe potencjały uszkadzające jego wejście - konstrukcja przedwzmacniacza umożliwia minimalizację szumów związaną z eliminacją opornika sprzężenia zwrotnego - w proponowanym rozwiązaniu bezrezystywne rozładowanie pojemności sprzężenia zwrotnego jest możliwe dla obu polarności indukowanych ładunków Przedwzmacniacz ładunkowy - schemat © Zbigniew Sosin Przedwzmacniacz ładunkowy - mozaika ścieżek Wymiary płytki: 24x15mm V + V - i n GN D możliwość podania potencjału na źródła ou t Symulacja prądów generowanych przez ruchome ładunki Odwikływanie ścieżki ładunku na podstawie prądów rejestrowanych przez elektrody Zdefiniowanie problemu: • Generacja prądu indukowanego w elektrodach przez poruszające się w pobliżu nich ładunki • Minimalizacja błędu związanego z odzyskiwaniem trajektorii ruchu ładunku z danych otrzymanych z wirtualnych elektrod Zadana trajektoria naładowanej cząstki 3 elektrody + szum Y [m] (0,2 ; 0,3 ) (0,3 ; 0) (0,1;0) X [m] Zależność prądu na elektrodach od czasu I[A] T [ sek ] 3 elektrody + szum Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY porównana z wyjściową (czarna) przy poprawnie zadanych warunkach początkowych Y [m] X [m] 3 elektrody + szum Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY porównana z wyjściowa (czarna) przy podaniu podwojonego ładunku cząstki Y [m] X [m] 3 elektrody + szum Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY porównana z wyjściową (czarna) przy podaniu złego punktu początkowego Y [m] X [m] 3 elektrody + szum Model dwuwymiarowy aktywności mózgu (stan podstawowy) Losujemy wewnątrz mózgu pętle prądowe o następujących parametrach: • • • • Położenie centrum, Promień Chwila pojawienia się Zależność prądu od czasu: narastanie, stan stabilny, opadanie – I(t) Model dwuwymiarowy aktywności mózgu - wzmożona aktywność dobrze zlokalizowanej części mózgu Losujemy w określonym obszarze mózgu pętle prądowe o: • większej gęstość; • większych prądach • innych czasach narastania i opadania Pola działania: - Modelowanie rozkładu pola elektrycznego dla określonego rozkładu elektrod – dalsze rozwijanie naszego programu, z wykorzystaniem pakietu NEBEM, wyszukiwanie trajektorii o zadanym kształcie - Modelowanie ruchu ładunków w głowie, - Porównywanie eksperymentalnie zmierzonych prądów z przewidywaniami modelowymi Zapraszamy na naszą stronę: http://zefir.if.uj.edu.pl/ania/index2.html Dziękuje za uwagę MEG pozwala na mapowanie mózgu w czasie rzeczywistym. Reakcja na aktywność kciuka i małego palca prawej ręki MAGNETOENCEFALOGRAFIA Co mierzy aparatura MEG ? Płynące w neuronach prądy są źródłem pola magnetycznego. Zgodnie z równaniami Maxwella ruch ładunków powoduje powstanie pola magnetycznego prostopadłego do kierunku tego ruchu. Sygnały MEG (i EEG) pochodzą od prądów jonowych płynących w drzewkach dendrytycznych neuronów w czasie transmisji synaptycznej. Kolorem szarym zaznaczono prądy jonowe płynące wokół neuronu w wyniku akcji synaptycznej. Strzałką zaznaczono kierunek dipola prądowego posiadającego prądowe źródło w dendrytach i prądowy zlew w okolicy ciała neuronu. Porównanie metod obrazowania mózgu Charakterystyki EEG MEG „PA” Rozdzielczość czasowa 1 msek 1 msek 1 msek Rozdzielczość przestrzenna 1 cm 5 cm ???? Ograniczenia • tylko kora mózgowa • trudna interpretacja • słaba rozdzielczość przestrzenna • trudna interpretacja • trudna interpretacja Zalety • tania • łatwa • obejmuje głębsze struktury • tania • łatwa • mierzy sygnały wolnozmienne nawet do dziesiętnych Hz • mierzy sygnały od ruchów ładunków prostopadłych do płaszczyzny elektrody • obejmuje głębsze struktury • bezkontaktowy pomiar Idea pomiaru MEG Pole magnetyczne powstające wokół dipola ma zwrot zgodny z regułą prawej ręki i linie pola są okręgami o środku na osi dipola. Aby pole magnetyczne miało mierzalne wartości potrzebna jest superpozycja dużej liczby synchronicznie aktywnych dipoli neuronowych o z grubsza jednakowej orientacji ( co najmniej 50 tys. ) Pole magnetyczne pochodzące od neuronów umieszczonych w bruzdach jest prostopadłe do powierzchni głowy i daje większy wkład do sygnału MEG niż pole pochodzące od neuronów umieszczonych w zakrętach. Magnetoencefalografia Magnetoencefalografia (MEG) — technika obrazowania elektrycznej czynności mózgu za pomocą rejestracji pola magnetycznego wytworzonego przez mózg (sygnały te są bardzo małe – femtotesla [ fT ], czyli 10-15 (pole magnetyczne Ziemi jest miliard razy większe). Pierwszy pomiar MEG został wykonany przez fizyka Davida Cohena w 1968 r. Sygnały są odbierane przez wysokoczułe mierniki pola magnetycznego umieszczone w pobliżu czaszki badanego np. typu SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) ważący 8 ton Jeszcze kilka lat temu nikt nie myślał poważnie o realizacji takiego przedsięwzięcia. Postęp technologiczny sprawił jednak, że znaleźli się odważni: IBM we współpracy ze szwajcarskimi naukowcami rozpoczął prace nad stworzeniem superkomputera, którego zadaniem będzie symulowanie działania ludzkiego mózgu. I to na poziomie molekuł. Superkomputer nosi nazwę Blue Brain. Nawiązanie do "Blue Gene" jest nieprzypadkowe, badacze mają zamiar skorzystać z doświadczeń zdobytych podczas konstruowania tej ostatniej maszyny. Szczytowa wydajność Blue Brain ma wynieść przynajmniej ok. 23 teraflopy. Komputer ma pomóc w zrozumieniu, skąd biorą się takie choroby, jak autyzm czy depresja, która uznawana jest za zmorę XXI wieku. Zdaniem Henriego Markrama, kierownika Brain and Mind Institute w Lozannie, to pierwszy raz, kiedy człowiek będzie w stanie w czasie rzeczywistym zasymulować i obejrzeć mózg w działaniu. Bez otwierania czaszki czy drażnienia wybranych fragmentów prądem. Budowę superkomputera poprzedziło ponad dziesięć lat badań, w trakcie których Markram ze współpracownikami gromadził dane na temat budowy i sposobu działania komórek nerwowych w korze mózgowej (nowej istocie korowej, łac. neocortex). Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (Kalifornia) informują, że Blue Gene/L (najszybszy superkomputer na świecie) został rozbudowany i dysponuje obecnie dwa razy większą liczbą procesorów niż do tej pory. Superkomputer Blue Gene/L zawierał do niedawna 32 tysiące procesorów. Kilka tygodni temu system został rozbudowany, tak iż zawiera obecnie dwa razy więcej procesorów. System dysponuje obecnie 32 tysiącami węzłów obliczeniowych, każdy zawierający dwa procesory (razem 64 tys. procesorów). Gdy pod koniec 2004 r. ogłoszono, że najsilniejszym superkomputerem na świecie jest Blue Gene/L, podano, iż jego moc obliczeniowa wynosi 70,72 TF (teraflopsów). Obecnie komputer będzie prawdopodobnie przetwarzał dane dwa razy szybciej. Oznacza to, że kolejny na liście superkomputer Columbia (system zawierający 10 240 procesorów, którego właścicielem jest NASA), pracuje trzy razy wolniej niż Blue Gene/L. Wydajność superkomputera Columbia wynosi 51,87 TF. ultradźwięki o mocy niższej niż ta zazwyczaj stosowana w rutynowych procedurach diagnostycznych mogą wywoływać wzrost aktywności neuronów, gdy tymczasem wyższa moc daje znikomy efekt - podkreśla szef zespołu prof. William "Jamie" Tyler. http://technoblog.gazeta.pl/blog/1,84944,5864274,Zrob_sobie_upgrade_mozgu.html Jednym z wielu programów prowadzonych przez amerykańską DARPA (Agencja Badawcza Zaawansowanych Projektów Obronnych) są badania nad hełmem, który pozwoli zdalnie stymulować mózgi żołnierzy. DARPA współpracuje z profesorem Williamem J. Tylerem z University of Arizona, który od kilku lat bada systemy nieinwazyjnej stymulacji mózgu. Techniki takie mogą być pomoce w leczeniu choroby Parkinsona czy depresji. Posłużą też do stworzenie interfejsów łączących mózg z komputerem. Z kolei DARPA chciałaby dzięki pracom Tylera stworzyć hełm, który będzie w stanie zwiększyć możliwości żołnierzy, pobudzając ich do dłuższego czuwania czy redukując stres lub ból. W każdej półkuli wyróżnia się 4 płaty: - Potyliczny – znajdują się w nim ośrodki wzroku i rozumienia wrażeń wzrokowych - Skroniowy – znajdują się w nim ośrodki słuchu i rozumienia wrażeń słuchowych - Ciemieniowy – znajdują się w nim ośrodki wyższych czynności nerwowych np. ośrodki mowy, pamięci kojarzenia, rozumienia, wrażeń. Bruzda środkowa oddziela płat ciemieniowy od skroniowego - Czołowy – przed bruzda znajdują się pola ruchowe, które kontrolują pracę mięśni szkieletowych i odpowiadają za ruchy. Choć waży 1300-1400 g składa się z około 100 mld komórek nerwowych (neuronów). Jak wyjaśnia Tyler, najpoważniejsze wyzwania to osiągnięcie dużej rozdzielczości systemu, co pozwoli na kontrolowanie niewielkich struktur oraz opracowanie metod głębokiej nieinwazyjnej penetracji, pozwalającej na osiągnięcie głębiej położonych obszarów mózgu. Obecnie wykorzystywane techniki w wielu przypadkach wymagają chirurgicznego wprowadzenia elektrod do mózgu. A techniki nieinwazyjne albo charakteryzują się małą rozdzielczością, albo sygnały nie docierają głęboko. Dlatego też uczonego interesuje stymulacja ultradźwiękowa. Może ona zapewnić pięciokrotnie lepszą rozdzielczość niż obecnie stosowane techniki nieinwazyjne, a jednocześnie pozwala dotrzeć do równie głęboko położonych struktur mózgu co metody inwazyjne. lewa półkula odpowiada za zdolność logicznego myślenia oraz posługiwaniem się mową, natomiast prawa za myślenie twórcze, związane z wyobraźnią i zmysłami. Nie powinno być tajemnicą to, że nośnikiem informacji w naszym mózgu są impulsy elektryczne przetwarzane przez neurony, których mamy miliony. Idąc dalej, możemy powiedzieć, że powoduje to powstanie różnych potencjałów i prądów elektrycznych o określonej, dość niskiej częstotliwości. I właśnie tej częstotliwości poświęcę nieco więcej uwagi, gdyż to ona informuje o poziomie aktywności mózgowej. Zazwyczaj jest tak, że w czasie wykonywania jakiejś czynności któraś półkula jest aktywniejsza, czyli częstotliwość jej pracy jest nieco większa. Powoduje to powstanie pewnej różnicy częstotliwości, ale najbardziej pożądaną dla nas sytuacją jest praca obydwu półkul na tym samym poziomie. Zmiana wspomnianej częstotliwości fal mózgowych o kilka Hertzów może wywołać u nas zupełnie inne samopoczucie. Dokonany został następujący podział aktywności mózgowej: - delta - częstotliwość do 4 Hz, - theta - częstotliwość w zakresie między 4 Hz a 8 Hz, - alpha - częstotliwość w zakresie między 8 Hz a 12 Hz, - beta - częstotliwość w zakresie między 12 Hz a ok. 50 Hz, Jednak można spróbować synchronizacji za pomocą darmowego programu Brain Wave Generator, który można pobrać ze strony www.bwgen.com . Po przejściu testu sprzętu audio użytkownik ma do dyspozycji kilka tzw. presetów, wśród nich wspomniane poprawienie koncentracji lub autohipnozę. http://l-earn.net/index.php?id=449 Głęboka stymulacja mózgu DBS bezpośrednio zmienia aktywność mózgu w kontrolowany sposób, jej efekt jest odwracalny (inaczej niż jest to w przypadku wykonywanych czasem dotychczas w neurochirurgii w celach leczniczych trwałych uszkodzeń niektórych dróg nerwowych w mózgu) i jest jedną z nielicznych metod neurochirurgicznych, poddających się obiektywnej ocenie metodą podwójnie ślepej próby To, nad czym pracuje William Tyler ze School of Life Sciences przy Uniwersytecie Stanowym w Arizonie na zlecenie amerykańskiej armii, brzmi jak science-fiction. Założyciel firmy Synsonix opracowuje hełm dla żołnierzy, który będzie wpływał na aktywność mózgu za pomocą śródczaszkowych impulsów ultradźwiękowych. Jak opisuje Tyler w blogu Armed with Science, wynalazek pozwala na celowe stymulowanie wybranych rejonów mózgu bez konieczności umieszczania w nich specjalnych elektrod. Metoda ultradźwiękowa jest pięć razy dokładniejsza niż działająca z wykorzystaniem pól magnetycznych śródczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) i może poza tym docierać do głębszych rejonów mózgu. Projekt badawczy jest finansowany przez U.S. Army Research Development and Engeneering Command (RDECOM) Laboratorium Badawczego Armii (Army Research Laboratory – ARL), a także przez agencję DARPA. Jego celem jest dalsze badanie wpływu ukierunkowanych impulsów ultradźwiękowych na poszczególne fragmenty mózgu i zwiększenie ich precyzji. Być może technologia ta będzie stosowana w hełmach amerykańskich żołnierzy. Wtedy na polu walki ultradźwięki będą usuwały stres, redukowały odczuwanie bólu, poprawiały koncentrację i zapobiegały traumatycznym uszkodzeniom mózgu.
