Jak mozek funguje, zůstává skládačkou, která má jen několik dílků. Z nich jeden velký kousek je vlastně domněnka: že existuje vztah mezi fyzickou strukturou mozku a jeho funkčností.

Mezi úkoly mozku patří interpretace hmatových, zrakových a zvukových vstupů, stejně jako řeč, uvažování, emoce, učení, jemná kontrola pohybu a mnoho dalších. Neurovědci předpokládají, že všechny tyto funkce umožňuje právě anatomie mozku – se stovkami miliard nervových vláken. Mozkové „živé dráty“ jsou propojeny do složitých neurologických sítí, které dávají vzniknout úžasným schopnostem člověka.

Zdálo by se, že pokud vědci dokáží zmapovat nervová vlákna a jejich spojení a zaznamenat časování impulsů, které jimi proudí pro vyšší funkce, jako je zrak, měli by být schopni vyřešit například otázku, jak člověk vidí. Vědci se zlepšují v mapování mozku pomocí traktografie – techniky, která vizuálně znázorňuje trasy nervových vláken pomocí 3D modelování. A stále lépe zaznamenávají, jak se informace pohybují mozkem, pomocí zdokonalené funkční magnetické rezonance, která měří průtok krve.

Ale navzdory těmto nástrojům se zdá, že nikdo není o mnoho blíže tomu, aby zjistil, jak skutečně vidíme. Neurověda má jen základní představu o tom, jak to všechno do sebe zapadá.

Aby se tento nedostatek odstranil, zaměřuje se bioinženýrský výzkum mého týmu na vztahy mezi strukturou a funkcí mozku. Celkovým cílem je vědecky vysvětlit všechna spojení – anatomická i bezdrátová -, která aktivují různé oblasti mozku během kognitivních úkolů. Pracujeme na komplexních modelech, které lépe vystihují to, co vědci vědí o fungování mozku.

Jasnější představa o struktuře a funkci může nakonec zpřesnit způsoby, jakými se operace mozku snaží korigovat strukturu a naopak léky korigovat funkci.

Bezdrátové horké body v hlavě

Kognitivní funkce, jako je uvažování a učení, využívají řadu odlišných oblastí mozku v časové posloupnosti. Samotná anatomie – neurony a nervová vlákna – nedokáže vysvětlit buzení těchto oblastí, ať už současně nebo v tandemu.

Některá spojení jsou ve skutečnosti „bezdrátová“. Jedná se o elektrická spojení v blízkém poli, nikoli o fyzická spojení zachycená na traktografu.

Můj výzkumný tým pracoval několik let na podrobném popisu původu těchto bezdrátových spojení a měření intenzity jejich pole. Velmi jednoduchou analogií toho, co se děje v mozku, je fungování bezdrátového směrovače. Internet je do routeru přiváděn prostřednictvím kabelového připojení. Směrovač pak posílá informace do notebooku pomocí bezdrátového připojení. Celkový systém přenosu informací funguje díky kabelovému i bezdrátovému připojení.

V případě mozku vedou nervové buňky elektrické impulsy po dlouhých vláknitých ramenech zvaných axony z buněčného těla k dalším neuronům. Po cestě jsou přirozeně vysílány bezdrátové signály z neizolovaných částí nervových buněk. Tato místa, která postrádají ochrannou izolaci, jež obaluje zbytek axonu, se nazývají Ranvierovy uzly.

Ranvierovy uzly umožňují difúzi nabitých iontů dovnitř a ven z neuronu a šíření elektrického signálu po axonu. Jak ionty proudí dovnitř a ven, vznikají elektrická pole. Intenzita a struktura těchto polí závisí na aktivitě nervové buňky.

V Globálním centru pro neurologické sítě se zaměřujeme na to, jak tyto bezdrátové signály fungují v mozku při přenosu informací.

Nelineární svět mozku

Výzkumy toho, jak vzrušené oblasti mozku odpovídají kognitivním funkcím, se dopouštějí další chyby, když se opírají o předpoklady, které vedou k příliš jednoduchým modelům.

Výzkumníci mají tendenci modelovat vztah jako lineární s jedinou proměnnou a měřit průměrnou velikost reakce jedné oblasti mozku. Je to logika, která stála za návrhem prvního sluchadla – pokud hlas člověka zesílí dvakrát, ucho by mělo reagovat dvakrát silněji.

Sluchadla se však v průběhu let výrazně zlepšila, protože vědci lépe pochopili, že ucho není lineární systém a k přizpůsobení generovaných zvuků schopnostem posluchače je nutná určitá forma nelineární komprese. Většina živých organismů totiž nemá smyslové systémy, které by na podněty reagovaly lineárně, způsobem jedna ku jedné.

Lineární modely předpokládají, že pokud se vstup do systému zdvojnásobí, zdvojnásobí se i výstup tohoto systému. To neplatí pro nelineární modely, kde pro jednu hodnotu vstupu může existovat mnoho výstupních hodnot. A většina vědců se shoduje, že nervové výpočty jsou ve skutečnosti nelineární.

Klíčovou otázkou pro pochopení vazby mezi mozkem a chováním je, jak mozek rozhoduje o nejlepším postupu mezi konkurenčními alternativami. Například čelní mozková kůra provádí optimální volbu výpočtem mnoha veličin neboli proměnných – počítá potenciální výhru, pravděpodobnost úspěchu a náklady v podobě času a úsilí. Jelikož je systém nelineární, zdvojnásobení potenciální výhry může způsobit, že konečné rozhodnutí bude mnohem více než dvakrát pravděpodobnější.

Lineární modely opomíjejí bohatou škálu možností, které se mohou vyskytnout při fungování mozku, zejména těch, které přesahují to, co by naznačovala anatomická struktura. Je to jako rozdíl mezi 2D a 3D reprezentací světa kolem nás.

Současné lineární modely popisují pouze průměrnou úroveň excitace v oblasti mozku nebo proudění po povrchu mozku. To je mnohem méně informací, než kolik jich s kolegy používáme při sestavování našich nelineárních modelů z rozšířených dat z funkční magnetické rezonance i z biozobrazení v blízkém elektrickém poli. Naše modely poskytují 3D obraz toku informací přes povrch mozku a do jeho hloubek – a přibližují nás k představení toho, jak to všechno funguje.

Normální anatomie, fyziologická dysfunkce

Můj výzkumný tým zaujala skutečnost, že lidé se zcela normálně vypadajícími strukturami mozku mohou mít přesto velké funkční problémy.

V rámci našeho výzkumu neurologických dysfunkcí navštěvujeme osoby v hospicích, podpůrných skupinách pro pozůstalé, zařízeních rehabilitační péče, traumatologických centrech a nemocnicích akutní péče. Neustále s překvapením zjišťujeme, že lidé, kteří ztratili své blízké, mohou vykazovat podobné příznaky jako pacienti s diagnózou Alzheimerovy choroby.

Zármutek je soubor emočních, kognitivních, funkčních a behaviorálních reakcí na smrt nebo jiný druh ztráty. Není to stav, ale spíše proces, který může být buď dočasný, nebo trvalý.

Zdravě vypadající mozky lidí trpících fyziologickým zármutkem nemají stejné anatomické problémy – včetně zmenšených oblastí mozku a narušených spojení mezi sítěmi neuronů – jaké se vyskytují u lidí s Alzheimerovou chorobou.

Domníváme se, že toto je jen jeden z příkladů toho, jak horká místa mozku – ta spojení, která nejsou fyzická – plus bohatost nelineárního fungování mozku mohou vést k výsledkům, které by skenování mozku nepředpovědělo. Příkladů je pravděpodobně mnohem více.

Tyto myšlenky mohou ukázat cestu ke zmírnění závažných neurologických stavů neinvazivními prostředky. Terapie pozůstalých a neinvazivní zařízení pro elektrickou neuromodulaci v blízkém poli mohou zmírnit příznaky spojené se ztrátou blízké osoby. Možná by tyto protokoly a postupy měly být více nabízeny pacientům trpícím neurologickou dysfunkcí, u nichž zobrazovací metody skutečně odhalí anatomické změny. Některé z těchto jedinců by to mohlo zachránit před invazivními chirurgickými zákroky.

Diagramování všech nefyzikálních vazeb mozku s využitím našich nedávných pokroků v oblasti mapování elektrického blízkého pole a s využitím, jak se domníváme, biologicky realistických nelineárních modelů s mnoha proměnnými nás posune o krok blíže k tomu, kam se chceme dostat. Lepší pochopení mozku nejen sníží potřebu invazivních operačních zákroků k nápravě funkce, ale také povede k lepším modelům toho, co mozek umí nejlépe: výpočet, paměť, vytváření sítí a distribuce informací.