Hvordan undersøker moderne mainstream-vitenskap hjernen?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

For ikke så lenge siden, i henhold til historiske standarder, ble hjernen omtalt som en "svart boks", prosessene inni som forble et mysterium. Nyere vitenskapelige prestasjoner tillater oss ikke lenger å erklære dette så kategorisk. Imidlertid er det fortsatt langt flere spørsmål enn entydige svar innen hjerneforskning.

Det er ekstremt vanskelig å gjenkjenne i dette systemet, som har kosmiske numeriske parametere og er i konstant bevegelse, mekanismer som kan korreleres med det vi kaller hukommelse og tenkning. Noen ganger for dette må du trenge direkte inn i hjernen. I den mest direkte fysiske forstand.

Uansett hva forsvarerne av dyrelivet sier, har ingen ennå forbudt forskere å eksperimentere på hjernen til aper og rotter. Men når det kommer til den menneskelige hjernen - en levende hjerne, selvfølgelig - er eksperimenter på den praktisk talt umulige av lovmessige og etiske grunner. Du kan komme inn i "grå materie" bare, som de sier, for selskapet med medisin.

Ledninger i hodet mitt

En slik mulighet for hjerneforskere var behovet for kirurgisk behandling av alvorlige tilfeller av epilepsi som ikke responderer på medikamentell behandling. Årsaken til sykdommen er de berørte områdene av median temporallappen. Det er disse områdene som må fjernes ved hjelp av nevrokirurgiske metoder, men først og fremst må de identifiseres slik at man så å si ikke "kutter av overskuddet".

Den amerikanske nevrokirurgen Yitzhak Fried fra University of California (Los Angeles) var en av de første som brukte teknologien med å sette inn 1 mm elektroder direkte inn i hjernebarken tilbake på 1970-tallet. Sammenlignet med størrelsen på nerveceller hadde elektrodene syklopiske dimensjoner, men selv et slikt råinstrument var nok til å fjerne det gjennomsnittlige elektriske signalet fra en rekke nevroner (fra tusen til en million).

I prinsippet var dette nok til å oppnå rene medisinske mål, men på et tidspunkt ble det besluttet å forbedre instrumentet. Fra nå av fikk millimeterelektroden en ende i form av en forgrening av åtte tynnere elektroder med en diameter på 50 μm.

Dette gjorde det mulig å øke nøyaktigheten av målinger frem til fiksering av signalet fra relativt små grupper av nevroner. Det er også utviklet metoder for å filtrere ut signalet som sendes fra en enkelt nervecelle i hjernen fra den «kollektive» støyen. Alt dette ble ikke gjort for medisinske formål, men for rent vitenskapelige formål.

Hva er hjerneplastisitet?

Hjernens plastisitet er den fantastiske evnen vårt tenkeorgan har til å tilpasse seg endrede omstendigheter. Hvis vi lærer en ferdighet og trener hjernen intensivt, oppstår en fortykkelse i området av hjernen som er ansvarlig for den ferdigheten. Nevronene som ligger der skaper ytterligere forbindelser, og konsoliderer de nyervervede ferdighetene. Ved skade på en vital del av hjernen, gjenutvikler hjernen noen ganger de tapte sentrene i det intakte området.

Navngitte nevroner

Forskningsobjektene var mennesker som ventet på kirurgi for epilepsi: mens elektroder innebygd i hjernebarken leste signaler fra nevroner for nøyaktig å bestemme området for kirurgisk inngrep, ble det utført veldig interessante eksperimenter underveis. Og dette var selve tilfellet da popkulturens ikoner - Hollywood-stjerner, hvis bilder er lett gjenkjennelige av flertallet av verdens befolkning, brakte reelle fordeler til vitenskapen.

Yitzhak Fridas medarbeider, lege og nevrofysiolog Rodrigo Kian Quiroga, viste forsøkspersoner på sin bærbare datamaskin et utvalg av kjente bilder, inkludert populære personligheter og kjente strukturer som operahuset i Sydney.

Når disse bildene ble vist, ble den elektriske aktiviteten til individuelle nevroner observert i hjernen, og forskjellige bilder "slått på" forskjellige nerveceller. For eksempel ble en "Jennifer Aniston-neuron" installert, som "avfyrte" hver gang et portrett av denne romantiske skuespillerinnen dukket opp på skjermen. Uansett hvilket bilde Aniston ble vist til motivet, sviktet ikke nevronet "hennes navn". Dessuten fungerte det også når rammer fra den berømte TV-serien dukket opp på skjermen, der skuespillerinnen spilte hovedrollen, selv om hun selv ikke var i rammen. Men ved synet av jenter som bare så ut som Jennifer, var nevronet stille.

Den studerte nervecellen, som det viste seg, var assosiert nettopp med det holistiske bildet av en bestemt skuespillerinne, og ikke i det hele tatt med individuelle elementer av hennes utseende eller klær. Og denne oppdagelsen ga, om ikke en nøkkel, så en ledetråd til å forstå mekanismene for langtidshukommelsesbevaring i den menneskelige hjernen.

Det eneste som hindret oss i å komme videre var selve hensynet til etikk og juss, som ble nevnt ovenfor. Forskere kunne ikke plassere elektroder i noen andre områder av hjernen, bortsett fra de som ble utsatt for preoperativ forskning, og selve studien hadde en begrenset medisinsk tidsramme.

Dette gjorde det svært vanskelig å finne et svar på spørsmålet om nevronet til Jennifer Aniston, eller Brad Pitt, eller Eiffeltårnet virkelig eksisterer, eller kanskje som et resultat av målinger, forskerne ved et uhell snublet over bare én celle fra et helt nettverk forbundet med hverandre ved synaptiske forbindelser, som er ansvarlig for å bevare eller gjenkjenne et bestemt bilde.

Leker med bilder

Uansett, eksperimentene fortsatte, og Moran Cerf ble med dem - en ekstremt allsidig personlighet. Israelsk av fødsel, prøvde han seg som forretningskonsulent, hacker og samtidig datasikkerhetsinstruktør, samt artist og tegneserieforfatter, forfatter og musiker.

Det var denne mannen med et spekter av talenter verdig renessansen som tok på seg å lage et slags nevromaskingrensesnitt på grunnlag av Jennifer Aniston-nevronet og lignende. Denne gangen ble 12 pasienter ved Medisinsk senter oppkalt etter V. I. Ronald Reagan ved University of California. I løpet av preoperative studier ble 64 separate elektroder satt inn i regionen av median temporallappen. Parallelt begynte eksperimenter.

Utviklingen av vitenskapene om høyere nervøs aktivitet lover utrolige utsikter: folk vil være i stand til bedre å forstå seg selv og takle nå uhelbredelige plager. Den moralske og juridiske siden av eksperimenter på en levende menneskelig hjerne er fortsatt et problem.

Folket ble først vist 110 bilder av popkulturtemaer. Som et resultat av denne første runden ble fire bilder valgt, ved synet av hvilke eksitasjonen av nevroner i forskjellige deler av det studerte området av cortex ble tydelig registrert i hele dusin fag. Deretter ble to bilder vist samtidig på skjermen, lagt over hverandre, og hver hadde 50 % gjennomsiktighet, det vil si at bildene skinner gjennom hverandre.

Motivet ble bedt om å mentalt øke lysstyrken til ett av de to bildene, slik at han tilslørte «rivalen». I dette tilfellet produserte nevronet som var ansvarlig for bildet som pasientens oppmerksomhet var fokusert på, et sterkere elektrisk signal enn nevronet knyttet til det andre bildet. Pulsene ble fiksert av elektroder, gikk inn i dekoderen og omgjort til et signal som kontrollerer lysstyrken (eller gjennomsiktigheten) til bildet.

Dermed var tankearbeidet nok til at det ene bildet begynte å "hamre" det andre. Da forsøkspersonene ble bedt om å ikke intensivere, men tvert imot gjøre ett av de to bildene blekere, fungerte hjerne-datamaskin-koblingen igjen.

Lett hode

Var dette spennende spillet verdt behovet for å utføre eksperimenter på levende mennesker, spesielt de med alvorlige helseproblemer? I følge forfatterne av prosjektet var det verdt det, fordi forskerne ikke bare tilfredsstilte sine vitenskapelige interesser av grunnleggende karakter, men også famlet etter tilnærminger for å løse ganske anvendte problemer.

Hvis det er nevroner (eller bunter av nevroner) i hjernen som er begeistret ved synet av Jennifer Aniston, så må det være hjerneceller som er ansvarlige for konsepter og bilder som er mer essensielle for livet. I tilfeller hvor pasienten ikke er i stand til å snakke eller signalisere sine problemer og behov med gester, vil direkte tilkobling til hjernen hjelpe leger å lære om pasientens behov fra nevroner. Dessuten, jo flere assosiasjoner som etableres, jo mer vil en person være i stand til å kommunisere om seg selv.

Imidlertid er en elektrode innebygd i hjernen, selv om den er 50 mikron i diameter, et for grovt verktøy for nøyaktig å målrette et spesifikt nevron. En mer subtil metode for interaksjon er optogenetikk, som involverer transformasjon av nerveceller på genetisk nivå.

Ed Boyden og Karl Thessot, som begynte sitt arbeid ved Stanford University, anses å være blant pionerene i denne retningen. Ideen deres var å handle på nevroner ved å bruke miniatyrlyskilder. For dette må cellene selvfølgelig gjøres lysfølsomme.

Siden de fysiske manipulasjonene med å transplantere lysfølsomme proteiner - opsiner - inn i individuelle celler er nesten umulig, foreslo forskerne … å infisere nevroner med et virus. Det er dette viruset som vil introdusere et gen som syntetiserer et lysfølsomt protein inn i genomet til cellene.

Denne teknologien har flere potensielle bruksområder. En av dem er en delvis gjenoppretting av synet i et øye med skadet netthinne ved å gi lysfølsomme egenskaper til de gjenværende ikke-lysfølsomme cellene (det er vellykkede eksperimenter på dyr). Ved å motta elektriske signaler forårsaket av det innfallende lyset, vil hjernen snart lære å jobbe med dem og tolke dem som et bilde, om enn av dårligere kvalitet.

En annen applikasjon er å jobbe med nevroner direkte i hjernen ved å bruke miniatyrlysledere. Ved å aktivere forskjellige nevroner i hjernen til dyr ved hjelp av en lysstråle, er det mulig å spore hvilke atferdsreaksjoner disse nevronene forårsaker. I tillegg kan «lett» intervensjon i hjernen ha terapeutisk verdi i fremtiden.