Nová studie tvrdí, že až 40 % měření pomocí fMRI může být chybně interpretováno. Pokud se závěry potvrdí, čeká neurovědu zásadní přehodnocení tisíců studií o fungování mozku.
Studie nedávno zveřejněná v časopise Nature Communications by mohla vyvrátit desítky tisíc studií o fungování našeho mozku. Sami vědci totiž naznačují, že téměř polovinu měření provedených nejoblíbenější zobrazovací technikou v neurovědních studiích možná interpretujeme špatně. Pokud se to potvrdí, bude se muset přepsat velká část toho, co jsme si mysleli, že jsme o mozku v posledních desetiletích zjistili. Zejména ty poznatky, které se týkaly toho, které oblasti mozku a spojení vykonávají určité funkce.
Studii provedli vědci z Technické univerzity v Mnichově, a přestože jejich závěry budou muset nezávisle ověřit další odborníci, autoři se zdají být poměrně sebevědomí. Dokonce poukazují na to, že ačkoli se jedná o první studii, která dospěla k těmto závěrům u lidí, některé výzkumy již zjistily stejný problém u jiných zvířat. Abychom však skutečně pochopili význam těchto tvrzení, musíme se zabývat největší výzvou, které kdy neurověda čelila: „čtením mozku“.
Od mrtvol k EEG
Studium mozku není snadný úkol. Mezi vnějším světem a naším mozkem leží řada bariér, které ho izolují: kůže, kosti, řada blan zvaných meningy a nakonec tekutina, která ho obklopuje a vyplňuje: mozkomíšní mok. Mrtvé mozky samozřejmě můžeme studovat poměrně snadno a ostatně to děláme už po staletí. Od Vesaliových pitev ze 16. století až po moderní anatomické atlasy byla neuroanatomie z velké části postavena na mozcích, které již nefungují.
Problém je v tom, že struktura mozku je velmi neintuitivní. Srdce se svými chlopněmi a komorami nebo plíce se svými průduškami a plicními sklípky „říkají“ docela dobře, co dělají, jen se na ně podíváme. Mozek je naproti tomu vrásčitá masa tkáně, kde na první pohled není jasné, kde se „skrývá“ jazyk, paměť nebo vědomí. Z jeho tvaru nemůžeme vyvodit téměř nic o tom, jak funguje. Abychom ji skutečně pochopili, museli jsme mít možnost pozorovat ji při práci, a to nebyl snadný úkol.
Dlouhou dobu byly nejlepším vodítkem, které jsme měli, náhody. Klasický způsob, jak přiřadit mozkové struktury k určitým úkolům, spočíval v tom, že se počkalo, až pacient utrpí úraz, který zničí část jeho mozku, a pak se pozorovalo, které funkce byly narušeny. Takto byly například identifikovány jazykové oblasti, které v 19. století popsali Paul Broca a Carl Wernicke: pacienti, kteří po lokálním poškození ztratili schopnost normálně mluvit nebo rozumět jazyku. Jednalo se o jakési „mapování katastrof“.
Tento přístup měl však zjevné limity: léze jsou často velké, nepřesné a navzájem se velmi liší. Mozek se navíc po úrazu reorganizuje, takže to, co vidíme po letech, nemusí vždy odrážet to, co daná oblast dělala před nehodou. Bylo třeba najít způsob, jak zaznamenávat mozkovou aktivitu v reálném čase, aniž by bylo nutné otevřít lebku.
A právě zde přišel na řadu Hans Berger. V roce 1924 vynalezl elektroencefalografii (EEG), která spočívala v pokrytí lebky množstvím elektrod, jako by nálepkami připevněnými na drátech. Ty zaznamenávají elektrickou aktivitu mozku, konkrétně elektrická pole vznikající synchronizovaným střílením velkých skupin neuronů. Berger jako první zaznamenal slavné „alfa vlny“, rytmický vzorec, který se objevuje, když jsme uvolnění se zavřenýma očima.
EEG nám otevřelo zcela nové možnosti: poprvé jsme mohli „poslouchat“ živý mozek, aniž bychom museli podstoupit operaci. To umožnilo studovat spánek, epilepsii, stavy vědomí a mnoho dalších funkcí. Ale jak už to ve vědě bývá, každý pokrok s sebou přináší nová omezení.
Ne tak rychle
Elektroencefalografie má na jedné straně tu výhodu, že je nesmírně rychlá, nebo technicky řečeno: má vysoké časové rozlišení. Je schopna detekovat změny, ke kterým dochází v řádu milisekund, tedy téměř stejnou rychlostí, jakou komunikují neurony. Tato výhoda je však doprovázena řadou nevýhod: dobře detekuje aktivitu pouze v nejpovrchovějších oblastech mozku, její prostorové rozlišení je velmi špatné, což nám znemožňuje přesně určit, odkud aktivita pochází, a signály jsou při průchodu lebkou a skalpem „rozmazány“.
Abychom to pochopili, můžeme si představit, že stojíme před fotbalovým stadionem a snažíme se odhadnout, co se děje uvnitř, jen na základě poslechu hluku vycházejícího z branek. Víme, že se něco děje, můžeme říct, zda se dav rozčiluje nebo utichá, ale nemůžeme ukázat na přesné místo každého fanouška. S EEG je to podobné: vidíme celý „orchestr“, ale je těžké rozlišit, který nástroj hraje kterou notu.
Omezení byla zřejmá, a proto neurovědecká komunita radostně oslavovala nástup funkční magnetické rezonance (fMRI), techniky, která se stala miláčkem vědců od doby, kdy ji počátkem 90. let 20. století vyvinuli Seiji Ogawa a Kenneth Kwong. Najednou se zdálo, že konečně máme k dispozici podrobnou mapu toho, která oblast mozku se aktivuje při tom kterém úkolu: čtení, pamatování, rozhodování, vzrušení…
Zlatý věk zobrazování
Konvenční magnetická rezonance se skládá z velkého dutého válce, jehož stěnami rotují obrovské magnety. Tyto magnety vytvářejí velmi silné magnetické pole, které způsobuje, že se některé atomy v našem těle, zejména atomy vodíku ve vodě, vyrovnávají jako malé kompasy. Následně jsou vysílány radiofrekvenční impulsy, které tyto atomy „tlačí“, a když se vrátí do původní polohy, vysílají signál, který zachytí antény skeneru. Analýzou chování těchto signálů lze rekonstruovat velmi podrobný obraz vnitřních tkání.
Přidáním přídavného jména „funkční“ označujeme vylepšení, díky němuž je magnetická rezonance schopna rozlišit okysličenou a neokysličenou krev, a tím zjistit změny průtoku krve v mozku. Jedná se o tzv. signál BOLD (Blood Oxygen Level-Dependent) signal. Myšlenka je jednoduchá a účinná: když se určitá oblast mozku stane aktivnější, její neurony spotřebují více kyslíku; v reakci na to se cévy rozšíří a do dané oblasti se dostane více krve bohaté na kyslík. Skener tuto změnu zaznamená a převede ji na „více barev“ v obraze.
Tak se zrodila technika, která sice nemá tak vysoké časové rozlišení jako elektroencefalografie (cévní změny jsou mnohem pomalejší než změny elektrické), ale nabízí výjimečnou prostorovou přesnost. Můžeme lokalizovat aktivitu s milimetrovým rozlišením a získat snímky celého mozku najednou. To umožnilo například vytvořit známé „funkční mapy“, kde jsou barevně vyznačeny oblasti, které se aktivují, když dobrovolník vidí obličeje, poslouchá hudbu nebo řeší matematický problém.
Během několika desetiletí se fMRI stala stěžejním nástrojem kognitivní neurovědy. Na základě signálu BOLD byly publikovány desítky tisíc prací, které slouží nejen k pochopení zdravého mozku, ale také ke studiu poruch, jako jsou deprese, schizofrenie, autismus nebo Alzheimerova choroba. Byl dokonce použit ke snaze „číst“ jednoduché myšlenky nebo předvídat rozhodnutí dříve, než si je člověk uvědomí.
Celá tato stavba však spočívá na jednom klíčovém předpokladu: že signál BOLD spolehlivě odráží základní nervovou aktivitu. To znamená, že tam, kde vidíme více BOLD, pracuje více neuronů, a tam, kde nevidíme žádnou změnu, se nic moc neděje. Co když je tento předpoklad alespoň částečně mylný?
A co když je to jinak?
Pointa studie, která byla právě publikována v časopise Nature Communications, spočívá v tom, že vztah mezi BOLD a mozkovou aktivitou nemusí být tak těsný, jak jsme si mysleli. Toto spojení mezi neurony a cévami je známé jako neurovaskulární vazba. Klasický pohled tvrdí, že když neurony zvýší spotřebu energie, cévy reagují poměrně předvídatelným způsobem: rozšíří se a zvýší průtok okysličené krve. Biologie je však málokdy tak jednoduchá.
Aby tento vztah ověřili, vzali vědci 40 zdravých osob a požádali je, aby plnily určité kognitivní úkoly (mentální aritmetika, vzpomínání na epizody ze života, úkoly zaměřené na pozornost…) Mezitím měřili signál BOLD a souběžně s tím skutečnou spotřebu kyslíku pomocí jiné, složitější techniky MRI, která umožňuje přímý odhad metabolismu kyslíku v mozkové tkáni.
1:
The BOLD signal is a complex representation of various hemodynamic processes. We used quantitative fMRI to measure all hemodynamic factors contributing to positive and negative BOLD signal changes. pic.twitter.com/LsgqIeMwBS— Valentin Riedl (@vavatin) December 16, 2025
Tak dospěli k závěru, že BOLD sice dobře měří cévní změny, ale ne vždy věrně sleduje energetické potřeby neuronů. V některých případech se potřeba kyslíku v dané oblasti zvyšuje, aniž by došlo k očekávané vazodilataci. Jinými slovy: aktivita mozku se zvyšuje, aniž by funkční MRI dokázala detekovat změny v BOLD. A může nastat i opačný případ: změny průtoku krve, které neodpovídají skutečnému zvýšení aktivity neuronů.
Konkrétně došli k závěru, že přibližně ve 40 % případů BOLD nekoreluje se zvýšením skutečné energie spotřebovávané neurony. Nejedná se o malý statistický šum, ale o systematický rozpor, který se objevuje v různých oblastech mozkové kůry. Pokud mají pravdu, mohly by existovat oblasti mozku, které jsou vasodilatované, aniž by se přímo podílely na úkolu, který subjekt v danou chvíli vykonává, a naopak struktury, které zůstávají funkční MRI při měření BOLD nepovšimnuty, ale aktivně se podílejí na úkolu.
Hloubková nálož, která by mohla potopit většinu nejdiskutovanějších neurovědních studií posledních několika desetiletí. Ne proto, že by vše bylo nepravdivé, ale proto, že interpretace mohla být zkreslená: mohli jsme přecenit roli některých oblastí a podcenit roli jiných. To se týká především prací, které se snaží lokalizovat složité psychologické funkce (paměť, pozornost, jazyk, rozhodování) do konkrétních „bodů“ v mozku téměř výhradně na základě BOLD map.
Zpochybnění BOLD
Již léta je známo, že vztah mezi BOLD a neuronální aktivitou je nepřímý a může se lišit v závislosti na regionu, věku nebo zdravotním stavu. U laboratorních zvířat studie s elektrodami implantovanými přímo do mozku ukázaly případy, kdy signál BOLD a elektrická aktivita nejdou ruku v ruce. Byly například popsány jevy „obráceného neurovaskulárního spojení“, kdy se průtok krve snižuje, zatímco neuronální aktivita se zvyšuje, nebo naopak.
Kromě toho mohou čistě vaskulární faktory – jako je tuhost cév, krevní tlak nebo přítomnost malých poruch v kapilárách – modifikovat signál BOLD bez relevantních změn v neuronální aktivitě. U starších osob nebo osob s kardiovaskulárním onemocněním je to obzvláště důležité: jejich cévní odpověď může být pomalejší nebo méně účinná, což dále komplikuje interpretaci.
Novinkou mnichovské práce je, že kvantifikuje toto rozpojení u zdravých lidí během kognitivních úloh typických pro neurozobrazovací studie, a to přímým srovnáním BOLD s nezávislým měřítkem kyslíkového metabolismu. Jinými slovy, neříká jen „vztah je složitý“, ale dává na stůl čísla a ukazuje, že v nezanedbatelné části případů může BOLD vypovídat o něčem jiném než neurony.
Je fMRI v ohrožení?
Ne tak docela. Funkční MRI zůstává mimořádně cenným nástrojem, ale tato studie připomíná něco, co mnozí neurovědci tiše opakují: je třeba ji používat opatrněji.
Především je fMRI vynikající pro zjišťování globálních vzorců: které sítě oblastí se aktivují společně, jak se mění funkční konektivita mezi oblastmi při různých úkolech nebo stavech (bdění, spánek, anestezie) nebo jak se mozek reorganizuje po úrazu. I když BOLD neodráží neuronální aktivitu na milimetr přesně, poskytuje pro tyto otázky velmi užitečné informace.
Problém nastává, když se vysloví velmi konkrétní tvrzení, jako například: „tato malá oblast je centrem empatie“ nebo „zde je modul svobodné vůle“. Pokud se BOLD může aktivovat, aniž by neurony pracovaly tak intenzivně, jak si myslíme, nebo pokud velmi aktivní neurony mohou zůstat nepovšimnuty, ztrácejí takové přesné mapy část své spolehlivosti. Neznamená to, že je všechno špatně, ale že obraz je rozmazanější, než jsme si mysleli.
Kromě toho se fMRI používá ke snaze předvídat individuální chování (například kdo bude nejlépe reagovat na léčbu antidepresivy) nebo dokonce ke komerčním účelům, jako je takzvaný „neuromarketing“. Pokud je fyziologický základ signálu méně stabilní, než se dosud předpokládalo, jsou tyto aplikace ještě spornější.
V těchto souvislostech jsou neuroradiologové obvykle velmi opatrní a nespoléhají se pouze na mapy BOLD. Informace z fMRI kombinují s neuropsychologickými testy, elektrickými studiemi a v některých případech i s přímou stimulací mozku během operace. Jinými slovy, již předpokládají, že BOLD je užitečným, ale nikoli neomylným vodítkem. Přesto by lepší pochopení toho, kdy a proč se odpojuje od neuronálního metabolismu, mohlo pomoci zvýšit bezpečnost a přesnost těchto zásahů.