Zakład Technologii Gier

Prezentacja na temat: "Zakład Technologii Gier"— Zapis prezentacji:

1 Zakład Technologii Gier
Mózg – budowa, funkcje, higiena i metody badania Anna Sochocka Zakład Technologii Gier

2 Plan seminarium: Mózg Budowa mózgu
Podstawowe cechy mózgu: potencjał spoczynkowy i czynnościowy Higiena mózgu 2. Wybrane metody badania aktywności mózgu - metody nieinwazyjne EEG Metoda Ramo - Shockley’a

3 Układ nerwowy Ośrodkowy ( centralny ) układ nerwowy:
Mózgowie ( kresomózgowie, międzymózgowie, śródmózgowie, móżdżek,rdzeń przedłużony ) Rdzeń kręgowy Rdzeń przedłużony Obwodowy układ nerwowy Nerwy czaszkowe Nerwy rdzeniowe Układ nerwowy składa się z ośrodkowego (centralnego) i obwodowego układu nerwowego. Zapewnia on stały kontakt organizmu ze środowiskiem zewnętrznym oraz integrację narządów wewnętrznych. Kontakt ze światem zewnętrznym zapewniają narządy zmysłów, natomiast doznania z narządów wewnętrznych rejestrowane są przez zakończenia czuciowe w poszczególnych narządach. Układ nerwowy uczestniczy w rejestrowaniu, przekazywaniu i analizie napływających pobudzeń z zakończeń czuciowych oraz bierze udział w realizacji prawidłowych reakcji adaptacyjnych na zmieniające się warunki świata zewnętrznego i środowiska wewnętrznego. Głównym elementem centralnego układu nerwowego jest mózg. Podział topograficzny: slajd Podział czynnościowy Układ nerwowy somatyczny Układ piramidowy Układ pozapiramidowy Autonomiczny układ nerwowy Część współczulna (sympatyczny) Część przywspółczulna

4 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.

5 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!

6 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

7 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.

8 Mózg człowieka można podzielić na dwie półkule. Jedna z nich, tzw
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.

9 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.

10 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 Wyniki uszkodzeń płata potylicznego: dziury w polach wzrokowych (skotoma) trudności w umiejscowieniu widzianych obiektów halucynacje wzrokowe, niedokładne widzenie obiektów, widzenie aureoli trudności w rozpoznawaniu kolorów trudności w rozpoznawaniu znaków, symboli, słów pisanych trudności w rozpoznawaniu rysunków trudności w rozpoznawaniu ruchu obiektu trudności z czytaniemi/lub pisaniem Wyniki uszkodzeń płata skroniowego: zaburzenia słuchu, rozumienia mowy i percepcji dźwięków zaburzenia wybiórczej uwagi na bodźce słuchowe i wzrokowe problemy w rozpoznawaniu widzianych obiektów; trudności w rozpoznawaniu twarzy (prozopagnozja) upośledzenie porządkowania i kategoryzacji informacji werbalnych lewa półkula - trudności w rozumieniu mowy (afazja Wernickego) uszkodzenia prawej półkuli moga spowodować słowotok trudności w opisywaniu widzianych obiektów zaburzenia pamięci - amnezja następcza, problemy z przypominaniem zaburzenia zachowań seksualnych zaburzenia kontroli zachowań agresywnych

11 - lewa część dolna: modelowanie relacji przestrzennych ruchów palców
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 Wyniki uszkodzeń płata ciemieniowego: całkowita niepodzielność uwagi, niezdolność do skupiania wzroku (apraksja wzrokowa) trudności w orientacji przestrzennej, trudności w integracji wrażeń wzrokowych w całość (symultagnozja) niezdolność do celowego działania wymagającego ruchu (apraksja), problemy w troszczeniu się o siebie prawy - brak świadomości niektórych obszarów przestrzenii i części ciała (jednostronne zaniedbanie) trudności w liczeniu (dyskalkulia) i matematyce, zarówno algebrze jak i geometrii niezdolność do nazwania obiektu (anomia) niezdolność do umiejscowanienia słów pisanych (agrafia) problemy z czytaniem niezdolność do odróżnienia kierunków, lewa-prawa trudności w koordynacji ruchu oczu i rąk anozagnozja, zaprzeczanie niesprawności trudności w rysowaniu trudności w konstruowaniu obiektów zaburzenia osobowości (

12 - lewy płat - obszar Brocka (mowa)
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 Wyniki uszkodzeń płata czołowego: utrata możliwości poruszania częściami ciała, afazja Brocka niezdolność do planowania wykonania sekwencji ruchów niezdolność do działań spontanicznych, schematyczność myślenia "zapętlenie", uporczywe nawracanie do jednej myśli trudności w koncentracji na danym zadaniu, problemie niestabilność emocjonalna; zmiany nastroju, zachowania agresywne lewy płat - depresja, prawy - zadowolenie prawy tylny - trudności w zrozumieniu kawałów i śmiesznych rysunków, preferencje dla niewybrednego humoru, zmiany osobowości

13 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.

14 JAK ROZWINĄĆ NIE WYKORZYSTANE MOŻLIWOŚCI NASZEGO MÓZGU ?
Skojarzyć rzecz z silnie oddziałującym na nas obrazem Stosować dietę wysokoenergetyczną Uprawiać sport Pozytywny sposób myślenia

15 Marchew pozytywnie wpływa na przemianę materii w mózgu.
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. . Naukowcy dowiedli, że prawidłowo ułożone menu pomoże nam zwiększyć koncentrację, wydajność umysłową, kreatywność oraz odporność na stres. Czyli wszystko co przydaje się zarówno podczas nauki, jak i w życiu codziennym.

16 Nienasycone kwasy tłuszczowe ( zawarte m
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. Dla prawidłowego funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego bardzo ważny jest mangan. Zwiększa on również tolerancję na obciążenie glukozą, czyli sprawia, że duża dawka cukru nie uśpi nas, a znaleźć możemy go m.in. w grzybach, cykorii i szpinaku.

17 W odróżnieniu od B12, witamina B1 uzyskała miano „witaminy nastroju”
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 Aby utrzymać stan pobudzenia wystarczy niewielka dawka kofeiny: mg dziennie (1-2 kubki kawy). 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: mg dziennie (1-2 kubki kawy))

18

19 Znajdź ukrytą twarz…

20

21 Stara czy młoda ? W pewnych przypadkach mózg zmuszony jest do zinterpretowania sceny czy ruchu, którego nie można postrzegać jednoznacznie. Nawet jeśli obraz na siatkówce oka pozostaje niezmienny, po upływie jakiegoś czasu możemy go postrzegać inaczej. Nigdy nie można widzieć dwóch wariantów jednocześnie.

22 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 Środowisko zewnątrzkomórkowe Wnętrze komórki

23 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.

24 - + - + Przewodzenie impulsu + Na v +K - Cl
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. + Na Wnętrze komórki v + +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 +

25 Przebieg pobudzenia neuronu.
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 Warunkiem zaistnienia przewodzenia impulsu nerwowego w aksonie jest odebranie bodźca wystarczająco silnego. Jeśli bodziec będzie słaby czyli podprogowy to wywoła on jedynie lokalną zmianę potencjału na skutek zwiększenia przepuszczalności kanałów jonowych Na+. Bodziec wystarczająco silny wywoła potencjał czynnościowy czyli takie zaburzenie potencjału spoczynkowego neuronu, które spowoduje przewodzenie tego zaburzenia wzdłuż aksonu. Depolaryzacja błony o około 15mV nie powoduje powstania impulsu nerwowego, jest to pobudzenie podprogowe. Silniejsza depolaryzacja spowoduje otwarcie kanałów Na+ i dostanie się jonów Na+ do wnętrza komórki a tym samym całkowitą depolaryzację a nawet chwilową odwrotną polaryzację do +35mV, efekt ten zwany jest iglicą (ang. spike). Przebieg pobudzenia neuronu.

26 Fala depolaryzacji przesuwa się i przenosi na dalsze odcinki
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

27 . Przewodzenie impulsu

28 Do mediatorów zaliczamy m.in. adrenalinę czy serotoninę
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. Tak więc 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, czyli bez przerwania ciągłości drogi. Jest to możliwe dzięki specjalnym substancjom chemicznym tzw. przekaźnikom lub mediatorom uwalnianym przez zakończenia nerwowe. Do mediatorów pobudzających przenoszenie impulsu zaliczamy m.in. acetylocholinę adrenalinę czy serotoninę, natomiast hamujących kwas gammaaminomasłowy (GABA). Do mediatorów zaliczamy m.in. adrenalinę czy serotoninę

29 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. Istnieje wiele różnych technik „podglądania” czynności działającego mózgu.

30 Metody nieinwazyjne polegają na analizie fal mózgowych przez czujniki zamontowane w specjalnej czapce lub hełmie na głowie użytkownika.

31 Metody nieinwazyjne: fMRI : Funkcjonalne obrazowanie za pomocą rezonansu magnetycznego EEG : Elektroencefalografia MEG : MagnetoEncefalografia fNIR : Funkcjonalne obrazowanie w podczerwieni

32 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. ). Jest metodą polegającą na wykrywaniu i rejestracji aktywności elektrycznej mózgu za pomocą elektrod rozmieszczonych na powierzchni głowy (system Międzynarodowy tzw. układ 10-20). Prądy czynnościowe mózgu otrzymywane są w postaci sinusoidalnych fal o zmiennej częstotliwości, amplitudzie i kształcie. Rejestrowana czynność bioelektryczna jest rzędu mikrowoltów, wobec czego konieczne jest użycie aparatury wzmacniającej. Hansa Bergera ( ) Adolf Beck ( )

33 Amplituda [uV] Częstość [Hz] Kształt
W zapisie EEG wyróżnia się: fale (zasadnicza część składowa EEG, prosta, krótkotrwała zmiana różnicy potencjałów), rytmy (wielokrotne powtórzenie fali). Nazwa Amplituda [uV] Częstość [Hz] Kształt Alfa 8 - 13 Beta 5 - 25 Theta do 30 4 - 8 Delta około 50 1 - 3 Prawidłowy elektroencefalogram: rytm alfa · w stanie czuwania i spokoju (najwyższe amplitudy w odprowadzeniach potylicznych i ciemieniowych) · może być regularny lub skąpy, nieregularny, o zmiennej amplitudzie · często układa się we wrzeciona, w których na początku i na końcu ma niższą amplitudę niż w środku zapisu · znika przy otwarciu oczu (bodziec świetlny), pojawia się ponownie przy zamknięciu oczu (reakcja zatrzymania) · blokowanie rytmu w odpowiedzi na bodźce dotykowe, akustyczne, smakowe i węchowe ma charakter niestały · stałe cechy rytmu wykształcają się w wieku lat rytm beta · ulega przyspieszeniu pod wpływem działania bodźców zewnętrznych, emocji · bodźcem blokującym rytm beta jest ruch, a nawet zamiar ruchu · najsilniejszy w przednich częściach mózgu tj. okolicy czołowej i centralnej · w warunkach prawidłowych nie występuje w okolicach potylicznych (pojawia się w przypadku defektów czaszki lub zaburzeń psychicznych) rytm theta · występuje u dzieci · zanik jest charakterystyczny dla procesu dojrzewania · może wystąpić lokalnie w wyniku hiperwentylacji (u młodych osób dorosłych) lub w czasie drzemki rytm delta · charakterystyczny dla stanu snu · dominuje w zapisie u dzieci · występowanie u dorosłych w stanie czuwania uważane jest za objaw patologiczny rytm mi (mu) · występuje równocześnie z rytmem beta tylko u części populacji (7-11 Hz) · przyjmuje kształt zębów piły rytm lambda · trójfazowe fale wolne o wyglądzie fal ostrych (2-3 Hz) · rejestrowane u dzieci i młodych ludzi w okolicach potylicznych · związany z ruchem gałek ocznych, skupieniem uwagi

34 V sek

35 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

36 Twierdzenie Ramo – Shockley’a
W większości detektorów promieniowania sygnał 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 położenie ładunku położenie ładunku położenie ładunku Wyindukowany prąd jest proporcjonalny do prędkości ładunku i pola wagowego

37 Od teorii do realizacji …
PA i elektroda U(t) t elektroda X 64 q

38 Aparatura pomiarowa laptop wzmacniacze i/lub „PA” X 64 przetwornik
przedwzmacniacz ładunkowy wzmacniacze „PA” i/lub X 64 PA i/lub i/lub przetwornik ADC-flash 1kHz PA PA akumulatory zasilacze

39 Co moglibyśmy mierzyć: sygnały z mózgu
sygnały z serca sygnały mięśniowe korelacje między nimi

40 Sterownik kontrolera USB Program graficzny na PC
Układ fizyczny symulujący fale mózgowe Przetworniki analogowo - cyfrowe ADC Sterownik kontrolera USB dane linie ster. Kontroler USB dane linie ster. Program graficzny na PC

41 Sterownik kontrolera USB
2. Hardware: (ADC + sterownik kontrolera USB) + kontroler USB Przetworniki analogowo - cyfrowe ADC AtMega8 własności: Sterownik kontrolera USB - wbudowanych 6 ADC 12-bit. - 8kB pamięci FLASH (sterowanie FTDI) Kontroler USB FT 245 - prostota użycia - USB 2.0

42 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

43 Przedwzmacniacz ładunkowy - schemat
© Zbigniew Sosin

44 Przedwzmacniacz ładunkowy - mozaika ścieżek
Wymiary płytki: 24x15mm V+ V- in GND out możliwość podania potencjału na źródła

45 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

46 Zadana trajektoria naładowanej cząstki
3 elektrody + szum Y [m] (0,2 ; 0,3 ) (0,3 ; 0) (0,1;0) X [m]

47 Zależność prądu na elektrodach od czasu
I [ A ] T [ sek ] 3 elektrody + szum

48 Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY
porównana z wyjściową (czarna) przy poprawnie zadanych warunkach początkowych Y [m] X [m] 3 elektrody + szum

49 Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY
porównana z wyjściowa (czarna) przy podaniu podwojonego ładunku cząstki Y [m] X [m] 3 elektrody + szum

50 Na czerwono znaleziona trajektoria w współrzędnych XY
porównana z wyjściową (czarna) przy podaniu złego punktu początkowego Y [m] X [m] 3 elektrody + szum

51 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)

52 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

53 Zapraszamy na naszą stronę:
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:

54 Dziękuje za uwagę

55

56 MEG pozwala na mapowanie mózgu w czasie rzeczywistym.
Reakcja na aktywność kciuka i małego palca prawej ręki

57 MAGNETOENCEFALOGRAFIA

58 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.

59 Porównanie metod obrazowania mózgu
Charakterystyki EEG MEG „PA” Rozdzielczość czasowa 1 msek Rozdzielczość przestrzenna 1 cm 5 cm ???? Ograniczenia tylko kora mózgowa trudna interpretacja słaba rozdzielczość przestrzenna Zalety tania łatwa obejmuje głębsze struktury mierzy sygnały wolnozmienne nawet do dziesiętnych Hz mierzy sygnały od ruchów ładunków prostopadłych do płaszczyzny elektrody bezkontaktowy pomiar

60 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. ) W pierwszym przybliżeniu, wypadkowe prądy płynące w pobliżu neuronu w wyniku akcją synaptycznej (tj. pobudzenia lub hamowania neuronu przez drugi neuron połączony z nim synapsą) można traktować jak punktowy dipol prądowy, który charakteryzowany jest przez swoją wartość, kierunek i położenie. Pole magnetyczne powstające wokół takiego 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. Ze względu na swoje równoległe ułożenie w poprzek warstw kory, najlepsze warunki do takiej superpozycji mają korowe neurony piramidalne. 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.

61 Magnetoencefalografia
Magnetoencefalografia (MEG) — technika obrazowania elektrycznej czynności mózgu za pomocą rejestracji pola magnetycznego wytworzonego przez mózg (sygnały te są bardzo małe – femtotesla [ fT ], czyli (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

62 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).

63 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 procesorów, którego właścicielem jest NASA), pracuje trzy razy wolniej niż Blue Gene/L. Wydajność superkomputera Columbia wynosi 51,87 TF.

64 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.

65 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.

66 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 g składa się z około 100 mld komórek nerwowych (neuronów). Bruzdy mózgu dzielą powierzchnię półkuli na płaty:

67 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.

68 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,

69 Jednak można spróbować synchronizacji za pomocą darmowego programu Brain Wave Generator, który można pobrać ze strony . Po przejściu testu sprzętu audio użytkownik ma do dyspozycji kilka tzw. presetów, wśród nich wspomniane poprawienie koncentracji lub autohipnozę. 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

70 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.

71