Najtajnejšie zákutia mozgu: čo stále nevieme o najzložitejšom orgáne tela

Mozog je sídlom emočných a myšlienkových procesov a skúsenosti, no napriek výskumu neurológie, psychológie a ďalších kognitívnych vied zostáva záhadou. Najväčšou z nich je, ako môže aktivita neurónov ovplyvňovať vedomú a prežívanú skúsenosť.

Ľudský mozog môžeme považovať za najkomplexnejšiu štruktúru v celom vesmíre, pretože jeho množstvo prepojení a interakcií mu nedodáva len štrukturálnu komplexnosť, ale aj neuveriteľnú funkcionalitu. Porozumenie štruktúry mozgu je jednoduchšie ako pochopenie jeho funkčnej kapacity, ktorá je rozmanitá a extrémne zložitá.

Prečo je mozog taký výnimočný

Mozog obsahuje 86 miliárd neurónov, 85 miliárd ďalších buniek a približne 100 biliónov prepojení. Pokiaľ ide o spojenia a prepojenia, tie umožňujú neurónom komunikovať a vysielať signály.

Mozog tak podáva výkon ako „exascale“ výkonný superpočítač, teda jeden kvintilión, alebo milión kvadriliónov operácií za sekundu. Na tento obrovský výkon využíva len energiu vo výške 20 wattov, zatiaľ čo supervýkonný počítač potrebuje na svoje fungovanie miliónkrát viac energie, približne 20 megawattov.

Celková dĺžka tejto komplexnej siete tkaniva je približne 500 000 km. Signály, ktoré sa vysielajú, dosahujú „cestovnú“ rýchlosť približne 431 km za hodinu.

Daňou za túto výnimočnosť mozgu je, že hoci zaberá len približne 2 % telovej hmoty, skonzumuje až 20 % totálnej energie. Pomerne rozšírený mýtus je, že v mozgu sa nachádza viac neurónov ako hviezd v Mliečnej dráhe, no nie je to pravda.

Hviezd je približne od 200 do 400 miliárd, pričom v prípade mozgu sa počet neurónov odhaduje na 86 miliárd. Hoc hviezdy a galaxie môžu navzájom reagovať, nedokážu vykonávať zložité signalizovanie a výpočty, ktoré prebiehajú medzi neurónmi.

Najväčšie nevyriešené záhady

Vedomie a subjektívne prežívanie

Pocity vedomia, uvedomenia či vnímania tohto sveta sú záhadou. Už vieme, že mozgové procesy a prenos informácií sú to, vďaka čomu môžeme prežívať svet a všetko okolo nás, ale to nevysvetľuje, prečo sú naše pocity vždy subjektívne.

Najväčšou záhadou zostáva, ako môže aktivita neurónov vytvárať vedomú a prežívanú skúsenosť. Presné fungovanie mozgu preto zostáva jednou z najväčších záhad neurovedy.

Ako sa jednotlivé časti mozgu spoja do jedného celku

Mozog má hneď niekoľko špecifických častí a každá jedna má za úlohu vnímať alebo riadiť niečo iné. Doteraz sa presne nevie, ako sa dokážu všetky roztrieštené prvky mozgu spojiť a navzájom prepojiť tak, že vnímame svet jednotne.

Vedci skúmajú nielen jednotlivé neuróny, ale aj spôsob, akým sa rozsiahle siete koordinujú. Zistenia z mapovania mozgu odhaľujú, že inhibičné bunky, ktoré potláčajú nervovú aktivitu, nie sú iba jednoduchou silou tlmiacou aktivitu iných buniek.

Inhibičné bunky sú veľmi selektívne, pokiaľ ide o to, na ktoré bunky sa zameriavajú, čím vytvárajú sieťový systém koordinácie a spolupráce.

Spomienky a ich vybavovanie

Mozog prechádza fyzickými zmenami zakaždým, keď sa naučíme niečo nové, nejaký nový fakt. Dodnes však neexistuje úplné vysvetlenie, ako si vybavujeme alebo spomenieme na čokoľvek len tak, na vlastné želanie.

Moderná neuroveda sa čoraz viac zhoduje, že spomienky neexistujú ako samostatné „súbory“. Nevznikajú na jednom mieste a nedajú sa jednoducho lokalizovať.

Sú výsledkom konkrétnych vzorcov prepojení medzi neurónmi, najmä na úrovni synapsií. Tieto pamäťové stopy, označované ako engramy, spolu tvoria takzvaný connectome, sieť spojení, ktorá sa formuje počas celého života.

Spánok je nevyhnutný na udržanie pamäte. V priebehu noci si mozog hromadí všetky spomienky získané počas dňa.

Prečo snívame

Na otázku, prečo vlastne snívame, neexistuje jasná odpoveď. Niektorí vedci veria, že sny nám umožňujú riešiť problémy, ktorým počas dňa čelíme, iní sa domnievajú, že sny pomáhajú precvičiť mozog.

Vedci zaznamenali, že zadná časť mozgu, kde sa okrem iného odohrávajú sny, môže byť aktívna aj v posledných chvíľach života. Samotná mozgová aktivita však ešte nevysvetľuje, či ide o vedomé prežívanie.

Déjà vu a ilúzia už videného

Ilúzia už videného, takzvané déjà vu, je zvláštny psychický fenomén, pri ktorom nám určitá scéna pripadá veľmi známa, aj keď ju vidíme prvýkrát v živote.

Každý z nás pozná chvíľu, keď má pocit, že situáciu, ktorú aktuálne zažíva, už raz prežil. Mnohí už dokonca vedia aj presne povedať, ako daný moment skončí.

Déjà vu sa ťažko skúma, pretože tieto chvíle či pocity sú prchavé a nepredvídateľné. Často sa vyskytuje aj v úvode epileptických záchvatov, čo z neho robí zaujímavé okno do fungovania pamäťových a spánkových oblastí mozgu.

Hudba a emócie

Hudba nemá priamy prínos pre prežitie človeka ako takého, ale dokáže vyvolať silné emocionálne aj fyzické reakcie. Stále nie je jasné, akým spôsobom to robí.

Jedna z teórií hovorí, že hudba môže vyvolávať emócie tým, ako imituje ľudskú reč či pohyby tela. Emócie pritom dramaticky menia mozog a chemické reakcie vyvolané pocitmi možno fyzicky vidieť na skenoch mozgu a v štúdiách šedej hmoty.

Čas, inteligencia a simulácia budúcnosti

Zvuk sa pohybuje rýchlejšie než vízia, ale mozog je schopný oboje zosynchronizovať. Ak by sa konečne prišlo na to, ako to mozog robí, mohlo by to pomôcť pri chorobách, akou je napríklad dyslexia.

Do značnej miery je stále veľkou neznámou, ako mozgové neuróny riešia problémy. Zhromažďovanie informácií, vedomostí a znalostí v mozgu a manipulácia s nimi sú záhadou, a preto dodnes nevieme, prečo sú niektorí ľudia múdrejší než iní.

Na veľkosti mozgu nezáleží. Neexistuje vedecký dôkaz, ktorý by potvrdil, že väčší mozog pracuje lepšie ako menší.

Technológie, ktoré používame na štúdium mozgu, sa zameriavajú na prítomnosť. Ešte však musíme pochopiť, ako sme schopní predvídať budúce udalosti a simulovať budúcnosť pri plánovaní.

Čo prezrádza mapovanie mozgových spojení

Americkí vedci vytvorili najkomplexnejšiu schému mozgu cicavcov. Trojrozmerná mapa myšieho mozgu odhaľuje pol miliardy synapsií a 5,4 km neurónových prepojení.

Táto 3D mapa zobrazuje malú časť myšieho vizuálneho kortexu menšiu ako zrnko piesku. Odhaľuje pol miliardy synapsií a 5,4 km neurónových spojení, čo otvára nové možnosti pochopenia inteligencie, vedomia a neurologických ochorení, akými sú Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, autizmus a schizofrénia.

Vedci z Baylorovej lekárskej univerzity v Texase začali tým, že pomocou špecializovaných mikroskopov zaznamenávali aktivitu mozgu z cieľovej oblasti, keď zviera sledovalo rôzne filmy a klipy. Následne výskumníci z Allenovho inštitútu zobrali ten istý kubický milimeter mozgu a rozrezali ho na viac ako 25-tisíc vrstiev, z ktorých každá mala šírku 1/400 hrúbky ľudského vlasu.

Pomocou elektrónových mikroskopov s vysokým rozlíšením potom vyfotografovali každú vrstvu. Nakoniec tím z Princetonskej univerzity použil umelú inteligenciu a strojové učenie na rekonštrukciu buniek a spojení do 3D modelu.

Celkový dátový súbor má veľkosť 1,6 petabajtu, čo zodpovedá 22 rokom nepretržitého HD videa. Vnútri tohto malého zrnka piesku sa nachádza celá architektúra pripomínajúca nádherný les.

Výsledky odhaľujú nové typy buniek a nový princíp inhibície v mozgu. Pochopenie formy a funkcie mozgu by mohlo viesť k lepšiemu poznaniu neurologických porúch, ktoré zahŕňajú narušenie neurónovej komunikácie.

Vedecký projekt financovaný Európskou úniou, v ktorom sa približne 500 výskumníkov usilovalo zmapovať a simulovať fungovanie ľudského mozgu, dokázal vytvoriť 3D podoby mozgových štruktúr, ale celkový cieľ sa naplniť nepodarilo.

Keď poškodenie mozgu odhalí jeho funkcie

Dôkazom toho, že mozog predstavuje sídlo emočných a myšlienkových procesov a skúsenosti, sú poškodenia mozgu, ktoré tieto procesy môžu ovplyvniť, alebo meranie elektrickej aktivity či snímanie cez funkčnú magnetickú rezonanciu.

Kontúzia mozgu

Kontúzia mozgu je morfologické úrazové poškodenie mozgu, ktoré sa klinicky prejavuje príznakmi jeho fokálneho alebo difúzneho postihnutia v závislosti od lokalizácie a rozsahu poranenia.

Charakteristickým primárne fokálnym poranením mozgu je jeho kontúzia, teda pomliaždenie. V centre kontúzneho ložiska sa zisťuje traumatická nekróza mozgového tkaniva, zatiaľ čo na periférii sú potenciálne reverzibilné zmeny neurónov a astrocytov.

Kontúzia môže byť spojená aj s laceráciou povrchu mozgu a s traumatickým subarachnoidálnym a subdurálnym krvácaním. Kontúzne zmeny sa nachádzajú na miestach pôsobenia násilia na hlavu, označovaných ako coup, aj na protiľahlej strane, označovanej ako contre coup.

Najčastejším miestom výskytu kontúzií je pól frontálnej kosti a spánkový lalok. Kontúzia sa vyskytuje v jednej tretine ťažkých úrazov hlavy pri Glasgow coma score 8 a menej.

Približne v polovici týchto prípadov spôsobuje spazmus mozgových ciev a mozgovú ischémiu. Ťažký spazmus, ktorý sa vyskytuje u 5-10 % ťažkých úrazov, vyvoláva ischémiu rozsiahlych častí mozgu a difúzne poškodenie.

Prejavy podľa poškodeného miesta

• Kvalitatívne poruchy vedomia sú prejavom kontúzie frontálnych lalokov.
• Kvantitatívne poruchy vedomia sú prejavom kontúzie rozsiahlejších častí mozgu.
• Porucha krvného tlaku, nekoordinovaná srdcová a dychová činnosť sú prejavom kontúzie medzimozgu.
• Okohybné poruchy sú prejavom kontúzie mezencefala.
• Extenčné napätie končatín je prejavom kontúzie rozsiahlejších častí mozgového kmeňa.
• Cheyneho-Stokesovo dýchanie až apnoe sú prejavom kontúzie retikulárnej formácie.

Poškodenie medzimozgu sa prejaví nekoordinovanou činnosťou sympatiku a parasympatiku s poruchami krvného tlaku, srdcovej a dýchacej činnosti.

Poškodenie mozgového kmeňa na úrovni mezencefala spôsobuje okohybné poruchy a v ťažkých prípadoch sa prejavuje spontánnymi nekoordinovanými pohybmi očných bulbov, teda plávajúcimi bulbami.

Rozsiahlejšie lézie kmeňa vyvolávajú trvalé extenčné napätie končatín, ktoré sú pritom rotované dovnútra, čo sa označuje ako decerebračná rigidita. Poškodenie kmeňovej retikulárnej formácie zapríčiňuje rozličné poruchy dýchania od porúch jeho rytmu, napríklad Cheyneho-Stokesovo dýchanie, až po apnoe.

Edém, ischémia a rastúci vnútrolebečný tlak

V dôsledku drobných krvácaní v ložisku kontúzie a rozvoja perifokálneho edému sa kontúzne ložisko môže po 24-48 hodinách, ale aj neskôr, začať správať expanzívne.

Expanzívna kontúzia utláča okolité nepoškodené mozgové tkanivo a zvyšuje intrakraniálny tlak. Výrazné zvýšenie intrakraniálneho tlaku nastáva pri edéme mozgu.

Jeho príčinou po úraze hlavy býva najmä porucha hematoencefalickej bariéry a hromadenie tekutiny v extracelulárnom priestore, teda vazogénny edém. Neskôr sa v dôsledku ischémie rozvíja aj intracelulárny, cytotoxický edém.

Intracelulárny edém astrocytov a ich perivaskulárnych výbežkov uzatvára lumen kapilár a ďalej prehlbuje ischémiu a hypoxiu mozgu. Uzatvára sa circulus vitiosus a zóna edému mozgu sa tak rozširuje až k jeho generalizácii.

Edém mozgu zvýrazňuje poruchy vyvolané primárnym poškodením mozgu. Prehlbuje sa porucha vedomia, neurologický deficit a poruchy vegetatívnych a vitálnych funkcií, ktoré môžu byť pri neúčinnej liečbe príčinou exitu.

Diagnostika a liečba ťažkého poranenia

Pri diagnostike sa používa CT vyšetrenie a MRI vyšetrenie. Na CT môže byť kontúzne ložisko neostro ohraničené, so zníženou denzitou oproti okolitému tkanivu bez krvácania, alebo nehomogénne ložisko so zvýšenou denzitou pri drobnom krvácaní.

Homogénne ložisko so zvýšenou denzitou s nehomogénnym okolím môže predstavovať intracerebrálny hematóm, ktorý vzniká spájaním drobných krvácaní. Pri difúznom axonálnom poškodení môže byť CT nález bez nálezu.

Indikáciou na CT vyšetrenie po úraze hlavy je zlomenina lebky na röntgenovej snímke, GCS nižšie ako 15, koagulopatie, alkoholizmus, drogová závislosť, epilepsia, predošlá neurochirurgická operácia a vysoký vek.

Intracerebrálny hematóm vzniká v dôsledku poškodenia väčšej cievy vo vnútri mozgu, prípadne spájaním malých krvácaní. Prejavuje sa zhoršením celkového klinického stavu, prehĺbením poruchy vedomia a pyramídových príznakov o niekoľko dní po úraze.

Prednemocničná starostlivosť o pacienta s úrazom hlavy zahŕňa zaistenie priechodnosti dýchacích ciest, dostatočnú oxygenáciu a udržiavanie primeraného arteriálneho tlaku.

Urgentná evakuácia môže znamenať rozsiahlu dekompresívnu kraniektómiu a plastiku dura mater. Na úpravu poúrazovej intrakraniálnej hypertenzie možno použiť infúziu manitolu.

Cielený terapeutický zákrok musí byť urobený zavčasu, aby predišiel fatálnemu generalizovanému edému mozgu. Načasovanie chirurgického zákroku vyžaduje starostlivé klinické sledovanie stavu pacienta, sledovanie pomocou CT obrazu a monitorovanie intrakraniálneho tlaku a stredného arteriálneho tlaku.

Do základného monitoringu pacienta s ťažkým úrazom hlavy patrí aj sledovanie saturácie O₂, vnútorného prostredia, acidobázickej rovnováhy a CO₂ vo vydychovaných plynoch.

Ochorenia, ktoré odhaľujú zraniteľnosť mozgu

Alzheimerova choroba a strata pamäti

Pri Alzheimerovej chorobe pacientom odumierajú mozgové bunky a postupne prichádzajú o pamäť, spomienky, úsudok, rozumové schopnosti a reč. Hoci sa vedci domnievajú, že za odumieranie buniek je pravdepodobne zodpovedná bielkovina zvaná Tau, dodnes presne nevedia, akým spôsobom útočí na mozog človeka.

Frontotemporálna demencia

Frontotemporálna demencia predstavuje približne 5 % všetkých prípadov demencie. Typicky sa prejavuje v neskorom strednom veku, pričom prvotne ovplyvňuje správanie, osobnosť a jazyk, neskôr sa zhoršuje aj pamäť.

Ochorenie postihuje čelné a spánkové laloky mozgu. Zhruba tretina prípadov má dedičný základ, no väčšina príčin je stále neobjasnená.

Počas vývoja plodu sa v mozgu vytvárajú záhyby, ktoré sú pre kognitívne funkcie kľúčové. Zvláštny záujem predstavuje výnimočný záhyb „paracingulárny sulcus“, ktorý nemá každý a môže sa nachádzať na jednej alebo oboch stranách mozgu.

Jeho prítomnosť môže významne ovplyvňovať kognitívne schopnosti, pozornosť, reč, rýchlosť myslenia a schopnosť pochopenia informácií. Výskumný tím sa zameral na výskum tohto záhybu v súvislosti s frontotemporálnou demenciou, ktorá primárne postihuje oblasti mozgu okolo spomínaného jedinečného záhybu.

Z výskumu snímok z magnetickej rezonancie 186 pacientov s frontotemporálnou demenciou vyplynulo, že u tých, ktorí mali „paracingulárny sulcus“ na pravej strane mozgu, sa symptómy objavili neskôr, v priemere o dva a pol roka.

Tento záhyb je kľúčovou črtou fenoménu známeho ako „mozgová rezerva“. Táto štruktúra poskytuje odolnosť proti symptómom choroby, no po prekročení určitého bodu dochádza k rýchlemu zhoršeniu stavu.

Čo sa deje pri umieraní mozgu

Ľudia na celom svete hlásia podobné zážitky na prahu smrti, medzi ktoré patrí svetlo na konci tunela, pocit beztiaže, videnie seba samého vznášať sa nad vlastným telom a stretnutia so zosnulými príbuznými.

Pred niekoľkými rokmi vedci pri pokusoch na zvieratách identifikovali zvláštne mozgové aktivity po smrti. Mozog je aktívny približne 30 sekúnd po zástave srdca.

Vedci skúmali mozgovú aktivitu štyroch pacientov v kóme bez šance na prežitie. Po vypnutí pľúcnych ventilátorov bolo u dvoch pacientov namerané drastické zvýšenie mozgovej aktivity.

Zvýšenie sa uskutočnilo niekoľko sekúnd po zástave srdca. U jedného pacienta boli hodnoty počas procesu umierania asi tristokrát vyššie ako predtým.

Vedcom sa podarilo zistiť, že tieto činnosti sa odohrávali najmä v zadnej časti mozgu, kde sa okrem iného odohrávajú sny. Vedci však upozorňujú, že vyšetrení boli len štyria ľudia, preto nemožno vo všeobecnosti povedať, že mozgová aktivita sa drasticky zvyšuje u všetkých umierajúcich ľudí.

Napriek tomu zostáva otázka, čo presne mozog robí v posledných sekundách svojej funkčnosti, nezodpovedaná. Zistenie neobjasňuje, či ide o skryté vedomie, opakovanie pamätihodných udalostí alebo inú formu nervovej aktivity.

Možno uchovať štruktúru mozgu po smrti

Vedci skúmajú, či je možné uchovať štruktúru mozgu tak, aby v nej zostali spomienky a osobnosť a aby ich budúce technológie dokázali čítať.

Aktuálna vedecká debata sa netočí okolo oživovania mŕtvych. Rieši problém, že ak sú pamäť, osobnosť a dlhodobé psychologické vlastnosti zakódované vo fyzickej štruktúre mozgu, má zmysel skúmať, či sa táto štruktúra dá zachovať aj po legálnej smrti.

Samotné zachovanie však nič negarantuje. Iba posúva hranicu toho, čo ešte nemusí byť definitívne stratené.

Tekutinová konzervácia a jej hranice

Štúdia porovnáva viacero prístupov, klasickú kryoniku, kombinované aldehydovo-kryogénne metódy aj takzvanú tekutinovú konzerváciu. Práve tá sa dostáva do popredia preto, že je dnes technicky zvládnuteľná a finančne dostupnejšia.

Tekutinová konzervácia využíva chemické fixatíva, najčastejšie aldehydy, ktoré „uzamknú“ štruktúru tkaniva vytvorením stabilného chemického gélu. Výsledkom nie je živé tkanivo, ale detailne zachovaná architektúra neurónov a synapsií.

Zachovanie štruktúry ešte neznamená, že s ňou vieme niečo robiť. Uchovať mozog neznamená vedieť z neho čítať.

Najväčším problémom celej myšlienky je mierka. Ľudský mozog obsahuje približne 100 miliárd neurónov a bilióny synaptických spojení.

Ďalším slabým miestom je predpoklad, že statická štruktúra stačí. Mozog je dynamický systém a informácia môže byť uložená nielen v tom, kde sú neuróny prepojené, ale aj v sile týchto spojení, v molekulárnych stavoch synapsií či v interakciách s gliovými bunkami.

Nie je isté, či dnešné metódy dokážu zachovať všetky tieto vrstvy s dostatočnou presnosťou. Aj preto ide o experimentálnu možnosť bez akýchkoľvek garancií a hovoriť o „oživení“ je dnes skôr filozofická než technologická otázka.

Každodenné procesy, ktoré zostávajú skryté

Prevažná väčšina nášho správania sa vyskytuje z dôvodu mozgovej aktivity prebiehajúcej mimo nášho vedomia. Až 95 % všetkých rozhodnutí sa odohráva už v podvedomí.

Takzvaný multitasking je v skutočnosti rýchle prepínanie kontextov tam a späť medzi rôznymi úlohami. To stupňuje chybovosť až o 50 % a minimálne dvakrát predlžuje čas ukončenia zadaných úloh.

Opakované riešenie kvízu zvyšuje šancu, že si fakty zapamätáme, až o 65 %. Opitý mozog nedokáže vytvárať spomienky, a tak sa v tomto stave pamäť jednoducho nevytvorí.

Spánok je nevyhnutný pre správnu funkciu mozgu. Jeho nedostatkom klesá správny úsudok a pamäť, ubúda tiež mozgových buniek.

V samotnom mozgu nie sú žiadne receptory bolesti. Technicky vzaté počas chirurgického zákroku mozog necíti nič, avšak jeho obal a pokožka hlavy receptory bolesti majú.

Nervy, krvné cievy či svaly hlavy a krku podrobené chemickej aktivite môžu byť príčinou primárnych bolestí hlavy. Ak sa zmenia hladiny serotonínu alebo estrogénu potrebných na komunikáciu medzi nervovými bunkami, výsledok môžeme pociťovať ako bolesti hlavy či migrénu.

Sphenopalatine ganglioneuralgia, označovaná aj ako „zmrznutie mozgu“, je stav, ktorý spôsobuje konzumácia studeného jedla. Krvné cievy a tepny v zadnej časti hrdla privádzajú ochladenú krv priamo do mozgu, sťahujú sa, keď sú studené, a otvárajú sa, keď sú opäť teplé, čo spôsobuje bolesť v oblasti čela.

Prečo tajomstvá mozgu pretrvávajú

Staroveké kultúry mozgu veľa pozornosti nevenovali, naopak, srdce sa vnímalo ako samotný „stred“ existencie. Pri mumifikácii tela v starovekom Egypte mozog jednoducho odhodili.

Dnes už vieme, že jednotlivé poškodenia môžu narušiť vedomie, pamäť, reč, správanie, emócie, pohyb aj životne dôležité funkcie. Napriek tomu nedokážeme z týchto poznatkov zostaviť úplné vysvetlenie toho, ako vzniká jednotná osobnosť a vedomá skúsenosť.

Veda dokáže vytvárať 3D podoby mozgových štruktúr, zaznamenávať elektrickú aktivitu, pozorovať synaptické spojenia a analyzovať zmeny pri chorobách či poraneniach. Funkcia mozgu však zostáva ešte väčšou záhadou než jeho samotná štruktúra.

tags: #najtajnejsie #zakutia #mozgu