Pojďme si nejprve představit samotný technologický institut. CEITEC je zkratkou z anglického Central European Institute of Technology a vznikl teprve nedávno v roce 2014 ze společného projektu šesti nejvýznamnějších brněnských univerzit a výzkumných institucí. Projekt byl finančně podpořen Evropskou unií (prostřednictvím Operačního programu Věda a výzkum pro inovace). Je významným evropským centrem vědy v oblasti živé přírody, pokročilých materiálů a technologií. Zaměřuje se na nanotechnologie, pokročilé materiály, strukturní biologii, genomiku a proteomiku jak rostlinných systémů, tak i v oblasti veterinární medicíny, molekulární medicíny a výzkumu mozku. CEITEC je vůbec prvním typem vědeckého centra v ČR, které integruje výzkum a vývoj v oblasti věd o živé přírodě a pokročilých materiálů a technologií v takovém rozsahu. Pracuje zde 61 výzkumných skupin s věcně nebo logicky souvisejícím výzkumným zaměřením, které jsou soustředěny do 7 spolupracujících výzkumných programů. Jeden z nich má název Výzkum mozku a lidské mysli a právě o něm jsme se jako zástupci Mensy chtěli dozvědět víc.

Výzkum mozku a lidské mysli

V neurovědním centru v CEITECu Masarykovy univerzity působí 72 lidí, od neurologů přes psychiatry, biomedicínské inženýry až po fyziky a laboranty. Program, který mají na starosti, vznikl pro podporu spolupráce teoretických, experimentálních a klinických studií o mozku a zahrnuje výzkum v oblastech funkční neuroanatomie, neurofyziologie a neuroradiologie (zabývá se metodami zobrazování nervové soustavy), neuropsychologie, neurologie, psychiatrie a výpočetních neurověd. Minimálně ty z vás, kdo se podívali se zájmovou skupinou SIG Manager do výrobce elektronových mikroskopů FEI, do CEITECu NANO na VUT nebo do Ústavu přístrojové techniky Akademie věd, jistě nepřekvapí, že v tomto programu výzkumníci centra každodenně pracují s mapováním struktury a funkce mozku pomocí mnohakanálových EEG a MRI. Umožňuje jim to lepší pochopení fyziologických a patologických změn v nervovém systému získaných z výsledků studií na zvířatech i z pozorování lidského chování.

Konkrétněji v programu Výzkum mozku a lidské mysli se intenzivně zabývají hledáním patofyziologických mechanismů neurodegenerativních nemocí, epilepsie, schizofrenie, hledáním časných strukturálních, funkčních a behaviorálních markerů těchto nemocí, hledáním možností podpory kompenzačních mechanismů prostřednictvím neinvazivní mozkové stimulace, studiem fyziologických a patofyziologických mechanismů sociálního chování. Dále se věnují i dalším zajímavým oblastem, jako je výzkum stresu nebo vnímání hudby. Velký důraz kladou na časné projevy neuropsychiatrických chorob. A to je právě oblast, kterou se dlouhodobě zabývá paní profesorka Rektorová, vedoucí výzkumné skupiny nesoucí název Aplikované neurovědy. Své úsilí momentálně soustředí kolem pochopení a léčby Parkinsonovy nemoci a Alzheimerovy choroby.

Obě totiž úzce souvisí s činností mozku. Zatímco Parkinsonova choroba je spjata s úbytkem nervových buněk v části mozku nazvané Substantia nigra (černá substance) a je spojována především se ztrátou schopnosti ovládat nebo kontrolovat svůj pohyb, Alzheimerova choroba se projevuje ztrátou nervových buněk hned v několika částech mozku a jedná se o nejčastější typ demence – tzn. ztráty paměti a dalších kognitivních schopností.

Špatnou zprávou je, že lékaři prozatím neumí ani jedno z těchto dvou onemocnění vyléčit. U Parkinsonovy nemoci existují pouze prostředky, které umožňují mírnit příznaky nemoci, a u Alzheimerovy choroby přináší léčiva jen poměrně nízký prospěch. Dobrou zprávou naopak je, že paní profesorka Rektorová se svým týmem za pomoci nejnovějších poznatků a moderních technologií již učinila nějaké dílčí pokroky, a tak se v budoucnu diagnostiky v časné fázi nemoci a časem i účinné léčby přece jen možná nakonec dočkáme.

Laboratoře MAFIL

Součástí programu Výzkum mozku a lidské mysli je i rozvoj pokročilého zaznamenávání a zobrazování mozku. K tomu slouží tzv. sdílená laboratoř MAFIL – laboratoř multimodálního a funkčního zobrazování. Jde o laboratoře, které umí snímat lidské tělo ve vysokém magnetickém poli 3 Tesla, elektrofyziologické techniky a expertizy v oblasti funkčního a strukturálního mapování mozku. Jsou zde umístěny dva unikátní tomografy SIEMENS Prisma. Říkáte si, že něco podobného mají i v lépe vybavených nemocnicích? Že tam taky provádějí magnetickou rezonanci? Částečně máte pravdu, podobné přístroje tam i přes jejich velmi vysokou cenu skutečně mají. Jsou však méně výkonné. Ty v laboratořích MAFIL vykazují kromě vysokého výkonu také jedinečnou kombinaci technických a softwarových vlastností. Jsou optimalizované pro výzkum mozku, mají 256kanálový MR kompatibilní elektroencefalogram (EEG) a specializovaný hardware pro stimulaci a zaznamenávání odezvy. Díky tomu snesou srovnání se světovou špičkou. Nejčastěji se na nich provádí výzkum za pomoci multimodálních metod multiparametrických přístupů. To je například simultánní (souběžné) použití EEG a funkčního zobrazování magnetickou rezonancí (EEG-fMRI). Hojně je využívána i metoda tzv. repetitivní transkraniální magnetické stimulace (rTMS) s následným zobrazením v MRI nebo dále metody, které jsou kombinací různých MRI technik, jako je fMRI, DTI, výpočetní neuroanatomie atd.

V laboratořích MAFIL využívají i zapojení obou tomografů do výzkumu současně. Jde o tzv. hyperscanning neboli souběžné měření fMRI dvou soutěžících nebo spolupracujících probandů. A tady se dostáváme k onomu sdílení laboratoří, o kterém jsem se zmínil na začátku. Sdílená laboratoř znamená, že je určena všem výzkumníkům pracujícím v institutu a stejně tak si ji může pronajmout i kdokoliv externí. Samozřejmě je potřeba uhradit zaškolovací poplatek a následný pronájem, který ale není navzdory špičkovému vybavení nijak závratný. Laboratoř tak mohou využít další vzdělávací, rehabilitační, zdravotnická a jiná zařízení. Například ekonomové zde zkoumají psychologii a rozhodování v rámci teorie her. Jiné skupiny zde zase studují fungování zdravého mozku například při vnímání hudby, u rizikového chování řidičů nebo u přeživších holokaust a jejich potomků.

Výhoda? Vše na jednom místě

CEITEC je celkově pro vědce velmi přitažlivý institut. Má totiž kromě zmíněného špičkového vybavení i jinou velkou výhodu. Najdete zde na jednom místě unikátní kombinace znalostí a zdrojů, které jsou neustále aktualizovány a doplňovány participujícími institucemi. Propojují se zde lékařské, biologické nebo fyzikální disciplíny s obory z odlišné části vědního spektra jako je psychologie, antropologie nebo zmíněná ekonomie či hudební věda. Právě taková multioborová atmosféra přináší nové pohledy na věc a je líhní nových nápadů. Díky tomu je tady možné dosahovat kvalitních výsledků rychleji a s vyšším zapojením aplikační sféry.

Poděkování

Za nevšední exkurzi do technologického institutu CEITEC bychom rádi poděkovali především paní prof. MUDr. Ireně Rektorové, Ph.D., vedoucí výzkumné skupiny Aplikované neurovědy při programu Výzkum mozku a lidské mysli, za poutavou přednášku o její práci, která souvisí s výzkumem a léčbou Parkinsonovy nemoci a Alzheimerovy choroby, a dále panu Ing. Michalu Miklovi, Ph.D., vedoucímu Laboratoře multimodálního a funkčního zobrazování, za komentovanou prohlídku laboratoří doplněnou o zajímavou praktickou ukázku.

Autor: Stanislav Wolf

Nová studie na krysách vnáší světlo do toho, jak životní styl s nedostatkem spánku může narušit fungování lidského těla, aniž by si to člověk uvědomil. Čím větší nedostatek spánku krysy mají, tím častěji některé z jejich neuronů vypnou – s následným poklesem výkonu. Vědci z Národního institutu zdraví objevili, že i když jsou zvířata vzhůru a jsou aktivní, některé skupiny neuronů v části mozku, kde dochází k myšlení (tedy v kůře), krátce usínají. „Takové unavené neurony v bdělém mozku mohou být u lidí zodpovědné za poruchy pozornosti, špatné úsudky, náchylnost k chybám a vznětlivost, což míváme, když jsme nevyspalí, i když se ještě zvlášť ospalí necítíme,“ vysvětluje Giulio Tononi, M.D., Ph.D., z University of Wisconsin-Madison.

„Překvapivě v mozku s nedostatkem spánku se skupiny neuronů vypínají v jedné části kůry, ale v jiné ne, a nebo dokonce v části jedné oblasti ano a v druhé ne.“ Tononi s kolegy píší o svých pozorováních online v časopisu Nature z 28. dubna 2011. Předchozí studie poukazovaly na taková lokální zdřímnutí s prodlouženým bděním. Málo se však vědělo, jak se může měnit příslušná neuronová aktivita. Aby zjistili více, udržovali výzkumníci krysy několik hodin v bdělém stavu a sledovali elektrickou aktivitu na různých místech kůry. Dali jim do klecí nové objekty – barevné míče, krabičky, trubičky a voňavý hnízdní materiál od jiných krys. Čím byly krysy ospalejší, tím víc skupin neuronů v kůře se vypínalo, zřejmě náhodně, na různých místech.

Elektrické profily těchto unavených neuronů se podobaly těm, které měly neurony v kůře během NREM nebo ve spánku s pomalými vlnami. Avšak celkový EEG krys (měření elektrické aktivity mozku na temeni) potvrdilo, stejně jako jejich chování, že jsou vzhůru. Takže neuronová únava se liší od zřejmějšího mikrospánku – tří až patnáctisekundové výpadky se zavřením očí a EEG jako ve spánku, s nímž se někdy setkáváme při prodloužené bdělosti. Je to podobnější místním výpadkům pozorovaným u některých forem epilepsie, upozorňují výzkumníci. I když je to prchavé, unavené neurony opravdu ovlivňují výkonnost. Když se neurony v kůře pro pohyb vypnuly zlomek sekundy před tím, než se krysa pokusila dosáhnout na cukrovou kuličku, snížilo to pravděpodobnost úspěchu o 37,5 %. A celkový počet těchto chyb s prodlouženou bdělostí významně stoupal. To naznačuje, že unavené neurony, a s tím související vzestup aktivity pomalých vln, mohou přispět k odpovědnosti za zhoršený výkon lidí s nedostatkem spánku, kteří se mohou zdát chováním i subjektivně jako bdělí.

Skupinky neuronů, které se vypínají s dlouhým bděním, jsou v mnohém zrcadlem progresivních změn, které nastávají během regeneračního spánku následujícího po období nedostatku spánku. Podle Tononiho obojí slouží k zachování rovnováhy – části kompenzačních mechanismů, které regulují potřebu spánku. Právě tak jako nedostatek spánku způsobuje v celém mozku stav nestability, může také způsobit místní nestabilitu kůry, pravděpodobně vyčerpáním hladiny chemických přenašečů v mozku. Tak mohou unavené neurony vypnout jako součást úsporného nebo obnovujícího procesu pro přetížené neuronové spoje.

„Výzkum ukazuje, že nedostatek spánku v dospívání může mít nepříznivé citové a poznávací následky, které mohou ovlivnit vývoj mozku,“ poznamenal ředitel NIMH Thomas R. Insel, M.D. „Širší linie studií, ke které tohle patří, částečně uvažuje o změnách ve vzorcích spánku rozvíjejícího se mozku jako o možném ukazateli zdraví neurálních spojů, který může začít upadat během kritického přechodu z dětství k dospívání.“

Reference

Local sleep in awake rats. Vyazovskiy VV, Olcese U, Hanlon EC, Nir Y, Cirelli C, Tononi G. Nature. 2011 April 28. http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-04/niom-tnc042711.php

K tématu spánku se můžete podívat také na http://www.rozhlas.cz/leonardo/priroda/_zprava/pstros-spi-jako-ptakopysk—940797

Přeloženo z Tired Neurons Caught Nodding off in Sleep-deprived Rats; Mensa International Journal, srpen 2011, číslo 551