Mózg osoby niewidomej – Nieodkryta tajemnica. Wywiad z Jackiem Matuszewskim z Instytutu Biologii Doświadczalnej

Z Jackiem Matuszewskim z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie przy Polskiej Akademii Nauk rozmawia Ewa Domańska


Ewa Domańska: Dzień dobry Panie Jacku. Reprezentuje Pan Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie przy Polskiej Akademii Nauk.
Jacek Matuszewski: Witam.
E.D.: Zacznijmy od tego, że zajmuje się Pan badaniami strukturalnymi mózgu i porównuje Pan przetwarzanie językowe osób niewidomych versus osoby widzące. Czemu to ma służyć?
J.M.: Gwoli wyjaśnienia – są to badania nie tylko strukturalne, ale przede wszystkim funkcjonalne, czyli mierzące działanie ludzkiego mózgu, zwłaszcza wtedy kiedy dajemy mu określone zadania do wykonania. Te badania mają służyć głębszemu zrozumieniu zasad i procesów neuroplastyczności i organizacji funkcjonalnej mózgu. Do prowadzenia badań na ten temat skłania fakt, że w literaturze przedmiotu można spotkać różne poglądy na to, jaki jest związek pomiędzy umysłem i mózgiem,czyli to jakie funkcje są im przypisane, realizacja jakich funkcji i zadań poznawczych czy procesów mentalnych jest przypisana do konkretnej lokalizacji w korze mózgowej. Ponadto badania osób niewidomych od urodzenia dają unikalną możliwość zbadania wpływu braku danego doświadczenia na kształtowanie się funkcji konkretnych obszarów kory mózgowej. Dodatkowo nasuwa się pytanie: Czym się zajmuje kora wzrokowa, gdy nie docierają do niej informacje wzrokowe, jeżeli tradycyjnie dzielimy mózg na różne ośrodki, które odpowiedzialne są za przetwarzanie odpowiedniego rodzaju dane? W mózgu znajdują się ośrodki zmysłowe np.: kora słuchowa, która słuchowo przetwarza informacje, docierające przez zmysł słuchu. Mamy korę dotykową, która przetwarza informacje dotykową docierającą do nas przez zmysł dotyku oraz korę wzrokową, która odpowiada za przetwarzanie informacji wzrokowych. Tak zwana deprywacja sensoryczna od urodzenia, czyli brak funkcjonowania danego zmysłu u osób niewidomych czy u osób głuchych od urodzenia pozwala nam badaczom ustalić, czym zajmuje się dany obszar, jeśli nie docierają do niego bodźce typowe dla rozwoju danego obszaru.
E.D.: Czy są jakieś przypuszczenia na temat tego, co się dzieje w tych ośrodkach mózgowych?
J.M.: Tak. W literaturze przedmiotu jest omawianych kilka koncepcji wyjaśniających to, jak ludzki mózg jest zorganizowany i jak w takim razie powinien odpowiadać na sytuację deprywacji sensorycznej. Niektórzy badacze uważają, że taka organizacja będzie właśnie wyspecjalizowana w wykonywaniu konkretnego zadania. Przykładowo: w rozpoznawaniu liter albo w rozpoznawaniu jakiś prostych kształtów niezależnie od zmysłów więc tak, jak typowo u osób widzących lub prostych dźwięków, które mają nieskomplikowaną budowę i są przetwarzane w modalności słuchowej. W związku z tym te same obszary u osób niewidomych powinny przetwarzać ten rodzaj informacji, z tą różnicą, że będzie on docierał za pomocą innego zmysłu np. drogą dotykową.
E.D.: Czy Pan sam kieruje się przypuszczeniami korzystając z jakiejś konkretnej publikacji czy ma Pan swoje hipotezy dotyczące tych badań?
J.M.: Ja z reguły bazuję na kilku koncepcjach i modelach, które wynikają z literatury przedmiotu i są one tworzone na podstawie podsumowania bardzo wielu badań, ponieważ w nauce staramy się wychodzić od teorii empirycznie potwierdzonych, popartych dowodami kilkuletnich badań, które są opublikowane w różnych czasopismach naukowych. Czasami badacze podsumowują badania, łączą pojedyncze eksperymenty ze względu na określoną koncepcje, ponieważ trudno jest stworzyć teorie na podstawie pojedynczego badania. Raczej należy poczekać i sprawdzić ją w wielu sytuacjach.
E.D.: Czyli rozumiem, że chce Pan się utwierdzić w swoim przekonaniu?
J.M.: Tak. Chcę porównać ze sobą różne modele, których część właśnie zakłada, że te funkcje powinny zostać zachowane mimo deficytów od urodzenia. Docierające informacje do mózgu powinny być przetwarzane w podobny sposób, niezależnie od zmysłów. Natomiast inne koncepcje zakładają, że kora wzrokowa w momencie, kiedy nie docierają do niej żadne bodźce wzrokowe zostaje przejmowana przez inne funkcje poznawcze tzn. zacznie wykonywać inne zadania i będzie zajmować się takimi skomplikowanymi percepcjami modalnymi, jak na przykład przetwarzanie gramatyki czy rozpoznawanie liczb, czego nie obserwuje się u osób widzących.
E.D.: Po za jakimś głębszym zrozumieniem, do czego Pana zdaniem mogą przyczynić się i co przynieść te badania w praktycznym znaczeniu? Jeśli zrozumiemy te procesy no to, do czego to nam posłuży? Czy możemy stworzyć coś dalej na tej podstawie?
J.M.: To jest rzeczywiście odwieczny problem w nauce, ponieważ mamy rozdzielone badania na podstawowe i aplikacyjne. Ja w swoich badaniach grantu zajmuje się podstawowymi, których główną funkcją jest pogłębienie zrozumienia danych procesów, więc nie może to mieć aplikacji praktycznej, ponieważ ta aplikacja praktyczna ma swoje osobne źródła finansowania. Jest jednak wiele zespołów na świecie, które korzystają z tej wiedzy, którą zdobywamy na podstawie naszych badań kory wzrokowej osób niewidomych. Przykładowo: do wspomagania rehabilitacji przy odzyskiwaniu wzroku albo przy tworzeniu specjalistycznych urządzeń. Istnieje zespół, który od lat tworzy specjalne urządzenia, które re-kodują informacje z jednego zmysłu na inny. W ten sposób osoby niewidome wykorzystując zmysł słuchu są w stanie za pomocą treningu ze specjalnymi okularami czy laską przetwarzać informacje, które powinny być dostarczane drogą wzrokową. Są to takie sprzęty, które rekodują to, co widzi kamera na dźwięki i osoby niewidome są w stanie „widzieć za pomocą dźwięków”. Te linie badań podstawowych i aplikacyjnych są czasem oddzielne, a czasem udaje się je połączyć, aby stworzyć nową technologię, która wspomaga albo funkcjonowanie osób niewidomych albo umożliwia ich rehabilitacje po utracie wzroku lub po przywróceniu wzroku po operacji np. usunięcia katarakty.
E.D.: Czy mógłby Pan opisać to, jak wygląda dokładnie takie badanie i czemu służą poszczególne jego elementy?
J.M.: W moim badaniu korzystam z metody obrazowania za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (f RMI) oraz z przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS). Są to dwa eksperymenty w warunkach laboratoryjnych, gdzie za pomocą rezonansu magnetycznego możemy obrazować aktywność mózgu w czasie wykonywania danego działania. Wygląda to następująco: osoby badane zarówno widzące, jak i niewidome przechodzą badanie po zapoznaniu się z jego procedurą. Zapoznają się z tym, jak wygląda środowisko rezonansu magnetycznego. Następnie wjeżdżają do skanera i wykonują zadania związane z przetwarzaniem różnego rodzaju materiałem językowym, a także zadania dotyczące przetwarzania zmysłowego np. dotykowego w przypadku osób niewidomych czy słuchowego i wzrokowego w przypadku osób widzących. Te bodźce jesteśmy w stanie w trakcie angażowania aktywności mózgu monitorować. Prezentujemy je za pomocą specjalnych słuchawek lub ekranu, który osoby widzące widzą, a w przypadku osób niewidomych jest to specjalna linijka brajlowska, którą mają na oczach podczas wykonywania różnych zadań (wcześniej przetrenowanych). W tym czasie mierzymy aktywność różnych ośrodków mózgowych. To jest jedna linia moich badań, a druga polega na porównywaniu wzorców aktywności mózgu dotyczących przetwarzania alfabetu Braille’a u osób widzących i niewidomych. Osoby widzące są to osoby, które wcześniej uczyły się czytać ten alfabet, więc badanie w skanerze wszystkich osób wygląda podobnie. Będę jeszcze przeprowadzać trzecie badanie, w którym wykorzystam metodę przezczaszkowej stymulacji magnetycznej. Jest to nieinwazyjna metoda, która pozwala wnioskować o tym, gdzie i która dana struktura mózgowa jest włączana do wykonywania określonego zadania. Dzieje się to za pomocą stymulacji danego obszaru mózgu silnym polem magnetycznym, co chwilowo wpływa na procesy neuronalne i przetwarzanie informacji w danym obszarze. Jeśli ten obszar jest istotny dla wykonywanego zadania to możemy zaobserwować np. dłuższy czas reakcji w zadaniu lub zmniejszoną poprawność w jego wykonaniu. Badanie polega np. tym, że prosimy osobę o czytanie tekstu z ekranu albo czytanie dotykowo alfabetem Braille’a. W tym czasie mogę momentalnie bez trwałych skutków wpływać na przetwarzanie informacji w neuronach np. korze wzrokowej. Jeśli osobie badanej będzie szło gorzej z czytaniem w trakcie stymulacji kory wzrokowej to jestem w stanie wywnioskować, że ta kora była ważna dla wykonania poprawnie tego zadania, ponieważ chwilowe zahamowanie i zmienienie przepływu informacji w tym obszarze wpłynęło na wykonywane zadanie. Natomiast, jeśli nie zaobserwowałbym żadnych różnic znaczyłoby to, że dany ośrodek nie był kluczowy dla tego zadania.
E.D.: W jaki sposób możemy mierzyć wszystkie aktywności i zmiany w ośrodkach mózgowych? Wiemy tylko, że poszczególne zadania służą przetwarzaniu określonych informacji, czy są jakieś algorytmy czy wykresy, jak uzyskuje się satysfakcjonujące bądź nie wyniki?
J.M.: W przypadku analizy danych związanych z aktywnością mózgu jest to bardzo skomplikowana sprawa. Samo zjawisko fRMI opiera się na tym, że jeśli dany obszar mózgu jest aktywny podczas wykonywanego zadania to jest w nim zwiększona potrzeba metabolizmu. Oznacza to, że dany ośrodek spożytkował większą ilość energii. Skutkuje to tym, że możemy porównać te wzorce aktywności np. co się działo w mózgu w korze wzrokowej w obszarach językowych, jeśli ktoś czyta dotykowo, w porównaniu do tego kiedy słuchał zdania za pomocą słuchawek. Dopiero przy porównaniu takich wzorców aktywacji jestem w stanie określić, które ośrodki były wyspecjalizowane np. w przetwarzaniu informacji z danego zmysłu, które przetwarzały ją niezależnie w obu sytuacjach albo w żadnej z nich. Są również jeszcze bardziej skomplikowane analizy oparte rzeczywiście o algorytmy maszynowe, w których można sprawdzić czy dany algorytm komputerowy będzie w stanie sam rozróżnić na podstawie tych aktywacji to, czy dana osoba w danym momencie czytała coś czy słuchała czegoś. Czy przetwarzała istniejące słowa czy nie istniejące i na tej podstawie możemy wnioskować na temat, co znaczą te aktywacje w różnych przypadkach
E.D.: W jaki sposób możemy zobaczyć, który obszar mózgu zużył więcej tlenu? Jest to obraz całości czy wykres?
J.M.: Są to wartości liczbowe. Są one przesyłane ze skanera dla całego mózgu, całej kory mózgowej do komputera. Dostajemy przestrzenną informacje na temat sygnału zależnego np. z natleniania krwi, który jest związany z analizą funkcji w fRMI. Wygląda to następująco: mam serię obrazów, na których mózg jest podzielony na malutkie sześcianiki np. wielkości 3 mm i dla każdego takiego sześcianiku otrzymuje informacje na temat poziomu tego sygnału zależnego od natleniania krwi np. co 2 sekundy. Osoba leży w skanerze, a badacz ustawia indywidualnie dla każdego ustawienia aparatury. 2 sekundy jest to najczęstszy standard dla fRMI. Osoba przez 10 min czyta i ja, co 2 sekundy odczytuję poziom sygnałów. Następnie za pomocą skomplikowanego modelowania statystycznego podsumowuje te wzorce aktywności w danym eksperymencie i mogę je porównywać w różnych warunkach. Mogę na przykład pokazywać zdjęcia twarzy, zdjęcia domu i porównywać poziom sygnału zależnego od natleniania krwi. Mogę to przedstawić w postaci map statystycznych, gdzie na mózgu zaznaczamy różnymi kolorami to, gdzie ta aktywność była wyższa, a gdzie niższa bądź na wykresie nanoszę wartości liczbowe i mogę je przedstawić w różny sposób.
E.D.: Prosiłabym jeszcze o powiedzenie kilku słów na temat, jaki to jest grant i jaki tytuł zadania?
J.M.: Moje badania są przeprowadzane w ramach grantu finansowanego z Narodowego Centrum Nauki, który przyznano mi w drodze konkursu.

E.D.: Na zakończenie naszego wywiadu proszę jeszcze o podanie pełnego tytułu Pana badań.
J.M.: Temat jest dość długi i brzmi: „Selektywność zadaniowa czy wielopotencjalność w badaniach plastyczności kory wzrokowej osób niewidomych przy użyciu metod fRMI i TMS „.
E.D.: Dziękuję za rozmowę.