Hoe ondersoek moderne hoofstroomwetenskap die brein?

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Nie so lank gelede nie, volgens historiese standaarde, is daar van die brein gepraat as 'n "swart boks", die prosesse binne wat 'n raaisel gebly het. Onlangse wetenskaplike prestasies laat ons nie meer toe om dit so kategories te verklaar nie. Daar is egter steeds baie meer vrae as ondubbelsinnige antwoorde op die gebied van breinnavorsing.

Dit is uiters moeilik om in hierdie stelsel, wat kosmiese numeriese parameters het en voortdurend in beweging is, meganismes te herken wat gekorreleer kan word met wat ons geheue en denke noem. Soms hiervoor moet jy direk in die brein binnedring. In die mees direkte fisiese sin.

Wat ook al die verdedigers van wild sê, niemand het nog navorsers verbied om op die brein van ape en rotte te eksperimenteer nie. Wanneer dit egter by die menslike brein kom –’n lewende brein, natuurlik – is eksperimente daarop om wetlike en etiese redes feitlik onmoontlik. Jy kan net in die "grysstof" kom, soos hulle sê, vir die maatskappy met medisyne.

Drade in my kop

Een so 'n geleentheid wat aan breinnavorsers gebied is, was die behoefte aan chirurgiese behandeling van ernstige gevalle van epilepsie wat nie op geneesmiddelterapie reageer nie. Die oorsaak van die siekte is die aangetaste areas van die mediaan temporale lob. Dit is hierdie areas wat met behulp van neurochirurgiese metodes verwyder moet word, maar eerstens moet dit geïdentifiseer word sodat, by wyse van spreke, nie "die oormaat afgesny word nie".

Die Amerikaanse neurochirurg Yitzhak Fried van die Universiteit van Kalifornië (Los Angeles) was in die 1970's een van die eerstes wat die tegnologie om 1 mm-elektrodes direk in die serebrale korteks in te plaas, toegepas het. In vergelyking met die grootte van senuweeselle het die elektrodes siklopiese afmetings gehad, maar selfs so 'n ru-instrument was genoeg om die gemiddelde elektriese sein van 'n aantal neurone (van duisend tot 'n miljoen) te verwyder.

In beginsel was dit genoeg om suiwer mediese doelwitte te bereik, maar in 'n stadium is besluit om die instrument te verbeter. Voortaan het die millimeter-elektrode 'n einde gekry in die vorm van 'n vertakking van agt dunner elektrodes met 'n deursnee van 50 μm.

Dit het dit moontlik gemaak om die akkuraatheid van metings te verhoog tot by die fiksasie van die sein van relatief klein groepe neurone. Metodes is ook ontwikkel om die sein wat van 'n enkele senuweesel in die brein gestuur word uit die "kollektiewe" geraas te filter. Dit alles is nie vir mediese doeleindes gedoen nie, maar vir suiwer wetenskaplike doeleindes.

Wat is breinplastisiteit?

Die plastisiteit van die brein is die wonderlike vermoë van ons denkorgaan om by veranderende omstandighede aan te pas. As ons 'n vaardigheid aanleer en die brein intensief oefen, verskyn 'n verdikking in die area van die brein wat vir daardie vaardigheid verantwoordelik is. Die neurone wat daar geleë is, skep bykomende verbindings, wat die nuutverworwe vaardighede konsolideer. In die geval van skade aan 'n belangrike deel van die brein, herontwikkel die brein soms die verlore sentrums in die ongeskonde area.

Benoemde neurone

Die oogmerke van navorsing was mense wat op 'n operasie vir epilepsie gewag het: terwyl elektrodes wat in die serebrale korteks ingebed is, seine van neurone gelees het om die area van chirurgiese ingryping akkuraat te bepaal, is baie interessante eksperimente langs die pad uitgevoer. En dit was juis die geval toe die ikone van popkultuur - Hollywood-sterre, wie se beelde maklik deur die meerderheid van die wêreld se bevolking herkenbaar is, werklike voordele vir die wetenskap gebring het.

Yitzhak Frida se medewerker, geneesheer en neurofisioloog Rodrigo Kian Quiroga, het vakke op sy skootrekenaar 'n seleksie van bekende beeldmateriaal gewys, insluitend gewilde persoonlikhede en bekende strukture soos die Sydney Operahuis.

Toe hierdie prente gewys is, is die elektriese aktiwiteit van individuele neurone in die brein waargeneem, en verskillende beelde het verskillende senuweeselle "aangeskakel". Byvoorbeeld, 'n "Jennifer Aniston-neuron" is geïnstalleer, wat "gevuur" het wanneer 'n portret van hierdie romantiese aktrise op die skerm verskyn het. Watter foto Aniston ook al aan die onderwerp gewys is, die neuron "haar naam" het nie misluk nie. Boonop het dit ook gewerk toe rame uit die bekende TV-reeks op die skerm verskyn het, waarin die aktrise gespeel het, al was sy self nie in die raam nie. Maar by die aanskoue van meisies wat net soos Jennifer gelyk het, was die neuron stil.

Die bestudeerde senuweesel, soos dit geblyk het, is presies geassosieer met die holistiese beeld van 'n spesifieke aktrise, en glad nie met individuele elemente van haar voorkoms of klere nie. En hierdie ontdekking verskaf, indien nie 'n sleutel nie, dan 'n leidraad om die meganismes van langtermyngeheuebehoud in die menslike brein te verstaan.

Die enigste ding wat ons verhinder het om vorentoe te beweeg, was die einste oorwegings van etiek en reg, wat hierbo genoem is. Wetenskaplikes kon nie elektrodes in enige ander areas van die brein plaas nie, behalwe dié wat aan preoperatiewe navorsing onderwerp is, en die studie self het 'n beperkte mediese tydraamwerk gehad.

Dit het dit baie moeilik gemaak om 'n antwoord te vind op die vraag of die neuron van Jennifer Aniston, of Brad Pitt, of die Eiffeltoring werklik bestaan, of dalk as gevolg van metings, het wetenskaplikes per ongeluk net een sel van 'n hele netwerk afgekom. met mekaar verbind deur sinaptiese verbindings, wat verantwoordelik is vir die behoud of herkenning van 'n sekere beeld.

Speel met prente

Hoe dit ook al sy, die eksperimente het voortgegaan, en Moran Cerf het by hulle aangesluit - 'n uiters veelsydige persoonlikheid. Israeli van geboorte, het hy homself probeer as 'n besigheidskonsultant, kuberkraker en terselfdertyd 'n rekenaarsekuriteitsinstrukteur, sowel as 'n kunstenaar en strokiesprentskrywer, skrywer en musikant.

Dit was hierdie man met 'n spektrum van talente wat die Renaissance waardig was, wat onderneem het om 'n soort neuromasjien-koppelvlak te skep op grond van die Jennifer Aniston-neuron en dies meer. Hierdie keer het 12 pasiënte van die Mediese Sentrum vernoem na V. I. Ronald Reagan aan die Universiteit van Kalifornië. In die loop van preoperatiewe studies is 64 afsonderlike elektrodes in die area van die mediaan temporale lob geplaas. In parallel het eksperimente begin.

Die ontwikkeling van die wetenskappe van hoër senuweeaktiwiteit beloof ongelooflike vooruitsigte: mense sal hulself beter kan verstaan en nou ongeneeslike kwale kan hanteer. Die morele en wetlike kant van eksperimente op 'n lewende menslike brein bly 'n probleem.

Die mense is eers 110 beelde van popkultuurtemas gewys. As gevolg van hierdie eerste rondte is vier prente gekies, by die aanskoue waarvan die opwekking van neurone in verskillende dele van die bestudeerde area van die korteks duidelik in die hele dosyn vakke aangeteken is. Toe is twee beelde gelyktydig op die skerm vertoon, op mekaar geplaas, en elkeen het 50% deursigtigheid gehad, dit wil sê die beelde het deur mekaar geskyn.

Die onderwerp is gevra om die helderheid van een van die twee beelde verstandelik te verhoog, sodat hy sy "mededinger" verbloem het. In hierdie geval het die neuron wat verantwoordelik is vir die beeld waarop die pasiënt se aandag gefokus is, 'n sterker elektriese sein geproduseer as die neuron wat met die tweede beeld geassosieer word. Die pulse is deur elektrodes vasgestel, het die dekodeerder binnegegaan en in 'n sein verander wat die helderheid (of deursigtigheid) van die beeld beheer.

Die gedagtewerk was dus genoeg vir die een prentjie om die ander te begin “hamer”. Toe die proefpersone gevra is om nie te intensifiseer nie, maar inteendeel, om een van die twee beelde bleker te maak, het die brein-rekenaar-skakel weer gewerk.

Ligte kop

Was hierdie opwindende speletjie die moeite werd om eksperimente op lewende mense uit te voer, veral diegene met ernstige gesondheidsprobleme? Volgens die skrywers van die projek was dit die moeite werd, want die navorsers het nie net hul wetenskaplike belange van 'n fundamentele aard bevredig nie, maar ook na benaderings getas om redelik toegepaste probleme op te los.

As daar neurone (of bondels neurone) in die brein is wat opgewonde is by die aanskoue van Jennifer Aniston, dan moet daar breinselle wees wat verantwoordelik is vir konsepte en beelde wat meer noodsaaklik is vir lewe. In gevalle waar die pasiënt nie kan praat of sy probleme en behoeftes met gebare kan aandui nie, sal direkte verbinding met die brein dokters help om van die pasiënt se behoeftes van neurone te leer. Bowendien, hoe meer assosiasies gestig word, hoe meer sal 'n persoon oor homself kan kommunikeer.

'n Elektrode wat in die brein ingebed is, al is dit 50 mikron in deursnee, is egter 'n te kru instrument om 'n spesifieke neuron akkuraat te teiken. 'n Meer subtiele metode van interaksie is optogenetika, wat die transformasie van senuweeselle op genetiese vlak behels.

Ed Boyden en Karl Thessot, wat hul werk by Stanford Universiteit begin het, word beskou as onder die pioniers van hierdie rigting. Hulle idee was om op neurone op te tree met behulp van miniatuur ligbronne. Hiervoor moet die selle natuurlik ligsensitief gemaak word.

Aangesien die fisiese manipulasies van die oorplanting van ligsensitiewe proteïene - opsiene - in individuele selle byna onmoontlik is, het die navorsers voorgestel … om neurone met 'n virus te besmet. Dit is hierdie virus wat 'n geen sal inbring wat 'n ligsensitiewe proteïen in die genoom van selle sintetiseer.

Hierdie tegnologie het verskeie potensiële gebruike. Een daarvan is 'n gedeeltelike herstel van sig in 'n oog met 'n beskadigde retina deur ligsensitiewe eienskappe aan die oorblywende nie-ligsensitiewe selle te verleen (daar is suksesvolle eksperimente op diere). Deur elektriese seine te ontvang wat deur die invallende lig veroorsaak word, sal die brein binnekort leer om daarmee te werk en dit as 'n beeld te interpreteer, al is dit van minderwaardige gehalte.

Nog 'n toepassing is om met neurone direk in die brein te werk deur gebruik te maak van miniatuur liggidse. Deur verskillende neurone in die brein van diere met behulp van 'n ligstraal te aktiveer, is dit moontlik om na te spoor watter gedragsreaksies hierdie neurone veroorsaak. Daarbenewens kan "ligte" intervensie in die brein in die toekoms terapeutiese waarde hê.