Hur undersöker modern mainstream vetenskap hjärnan?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

För inte så länge sedan, enligt historiska standarder, talades hjärnan om en "svart låda", processerna inuti vilken förblev ett mysterium. De senaste vetenskapliga landvinningarna tillåter oss inte längre att deklarera detta så kategoriskt. Det finns dock fortfarande mycket fler frågor än entydiga svar inom området hjärnforskning.

Det är extremt svårt att i detta system, som har kosmiska numeriska parametrar och är i konstant rörelse, känna igen mekanismer som skulle kunna korreleras med vad vi kallar minne och tänkande. Ibland för detta måste man tränga direkt in i hjärnan. I den mest direkta fysiska bemärkelsen.

Vad försvararna av vilda djur än säger, har ingen ännu förbjudit forskare att experimentera med apor och råttors hjärnor. Men när det kommer till den mänskliga hjärnan - en levande hjärna, naturligtvis - är experiment på den praktiskt taget omöjliga av juridiska och etiska skäl. Du kan komma in i "grå materia" bara, som de säger, för företaget med medicin.

Kablar i mitt huvud

En sådan möjlighet som gavs för hjärnforskare var behovet av kirurgisk behandling av allvarliga fall av epilepsi som inte svarar på läkemedelsbehandling. Orsaken till sjukdomen är de drabbade områdena i median temporalloben. Det är dessa områden som måste tas bort med hjälp av neurokirurgiska metoder, men först och främst måste de identifieras för att så att säga inte "klippa bort överskottet".

Den amerikanske neurokirurgen Yitzhak Fried från University of California (Los Angeles) var en av de första som använde tekniken att sätta in 1 mm elektroder direkt i hjärnbarken redan på 1970-talet. Jämfört med storleken på nervceller hade elektroderna cyklopiska dimensioner, men även ett sådant råinstrument räckte för att ta bort den genomsnittliga elektriska signalen från ett antal neuroner (från tusen till en miljon).

I princip räckte detta för att uppnå rent medicinska mål, men i något skede beslutades att förbättra instrumentet. Från och med nu fick millimeterelektroden en ände i form av en förgrening av åtta tunnare elektroder med en diameter på 50 μm.

Detta gjorde det möjligt att öka noggrannheten i mätningarna fram till fixeringen av signalen från relativt små grupper av neuroner. Metoder har också utvecklats för att filtrera bort signalen som skickas från en enda nervcell i hjärnan från det "kollektiva" bruset. Allt detta gjordes inte för medicinska ändamål, utan för rent vetenskapliga syften.

Vad är hjärnans plasticitet?

Hjärnans plasticitet är den fantastiska förmågan hos vårt tankeorgan att anpassa sig till förändrade omständigheter. Om vi lär oss en färdighet och tränar hjärnan intensivt, uppstår en förtjockning i det område av hjärnan som ansvarar för den färdigheten. Neuronerna som finns där skapar ytterligare kopplingar och konsoliderar de nyförvärvade färdigheterna. Vid skada på en vital del av hjärnan återutvecklar hjärnan ibland de förlorade centran i det intakta området.

Namngivna neuroner

Forskningsobjekten var människor som väntade på operation för epilepsi: medan elektroder inbäddade i hjärnbarken läste signaler från neuroner för att exakt bestämma området för kirurgisk ingrepp, utfördes mycket intressanta experiment längs vägen. Och detta var själva fallet när popkulturens ikoner - Hollywoodstjärnor, vars bilder är lätt att känna igen av majoriteten av världens befolkning, gav verkliga fördelar för vetenskapen.

Yitzhak Fridas medarbetare, läkare och neurofysiolog Rodrigo Kian Quiroga, visade försökspersoner på sin bärbara dator ett urval av välkända bilder, inklusive populära personligheter och kända strukturer som Sydney Opera House.

När dessa bilder visades observerades den elektriska aktiviteten hos enskilda neuroner i hjärnan, och olika bilder "tände på" olika nervceller. Till exempel installerades en "Jennifer Aniston-neuron", som "avfyrades" när ett porträtt av denna romantiska skådespelerska dök upp på skärmen. Vilket foto Aniston än visades för försökspersonen, så misslyckades inte neuronen "hennes namn". Dessutom fungerade det också när ramar från den berömda TV-serien dök upp på skärmen, där skådespelerskan spelade, även om hon själv inte var med i ramen. Men vid åsynen av tjejer som bara såg ut som Jennifer var nervcellerna tysta.

Den studerade nervcellen, som det visade sig, var associerad exakt med den holistiska bilden av en viss skådespelerska, och inte alls med individuella delar av hennes utseende eller kläder. Och denna upptäckt gav, om inte en nyckel, så en ledtråd till att förstå mekanismerna för långtidsminne i den mänskliga hjärnan.

Det enda som hindrade oss från att gå vidare var själva övervägandena om etik och juridik, som nämndes ovan. Forskare kunde inte placera elektroder i några andra delar av hjärnan, förutom de som utsattes för preoperativ forskning, och själva studien hade en begränsad medicinsk tidsram.

Detta gjorde det mycket svårt att hitta ett svar på frågan om neuronen av Jennifer Aniston, eller Brad Pitt, eller Eiffeltornet verkligen existerar, eller kanske, som ett resultat av mätningar, forskare råkade snubbla på bara en cell från ett helt nätverk kopplade till varandra genom synaptiska kopplingar, som är ansvarig för att bevara eller känna igen en viss bild.

Leker med bilder

Hur som helst, experimenten fortsatte, och Moran Cerf anslöt sig till dem - en extremt mångsidig personlighet. Israelisk till födseln, försökte han sig som affärskonsult, hackare och samtidigt datasäkerhetsinstruktör, samt konstnär och serieförfattare, författare och musiker.

Det var denna man med ett spektrum av talanger värdiga renässansen som åtog sig att skapa ett slags neuromaskingränssnitt på basis av Jennifer Aniston-neuronen och liknande. Den här gången fick 12 patienter på Medicinsk centrum uppkallade efter V. I. Ronald Reagan vid University of California. Under loppet av preoperativa studier, sattes 64 separata elektroder in i regionen av median temporalloben. Parallellt började experiment.

Utvecklingen av vetenskaperna om högre nervös aktivitet lovar otroliga framtidsutsikter: människor kommer att bättre förstå sig själva och klara av nu obotliga åkommor. Den moraliska och juridiska sidan av experiment på en levande mänsklig hjärna förblir ett problem.

Människorna visades först 110 bilder av popkulturteman. Som ett resultat av denna första omgång valdes fyra bilder ut, vid åsynen av vilka excitationen av neuroner i olika delar av det studerade området av cortex tydligt registrerades i hela dussinet ämnen. Sedan visades två bilder samtidigt på skärmen, överlagrade på varandra, och var och en hade 50 % transparens, det vill säga bilderna lyste genom varandra.

Motivet ombads att mentalt öka ljusstyrkan på en av de två bilderna, så att han skymmer sin "rival". I det här fallet producerade neuronen som var ansvarig för bilden som patientens uppmärksamhet var fokuserad på en starkare elektrisk signal än neuronen som är associerad med den andra bilden. Pulserna fixerades med elektroder, gick in i avkodaren och förvandlades till en signal som styr bildens ljusstyrka (eller transparens).

Tankearbetet var alltså tillräckligt för att den ena bilden skulle börja "hamra" den andra. När försökspersonerna ombads att inte intensifiera, utan tvärtom, göra en av de två bilderna blekare, fungerade länken hjärna-dator igen.

Lätt huvud

Var detta spännande spel värt behovet att utföra experiment på levande människor, särskilt de med allvarliga hälsoproblem? Enligt författarna till projektet var det värt det, eftersom forskarna inte bara tillfredsställde sina vetenskapliga intressen av grundläggande karaktär, utan också famlade efter metoder för att lösa ganska tillämpade problem.

Om det finns neuroner (eller knippen av neuroner) i hjärnan som är upphetsade vid åsynen av Jennifer Aniston, så måste det finnas hjärnceller som är ansvariga för begrepp och bilder som är viktigare för livet. I de fall där patienten inte kan tala eller signalera sina problem och behov med gester, kommer direkt anslutning till hjärnan att hjälpa läkare att lära sig om patientens behov från neuroner. Dessutom, ju fler föreningar etableras, desto mer kommer en person att kunna kommunicera om sig själv.

Men en elektrod inbäddad i hjärnan, även om den är 50 mikron i diameter, är ett för grovt verktyg för att exakt rikta in sig på en specifik neuron. En mer subtil interaktionsmetod är optogenetik, som innebär omvandling av nervceller på genetisk nivå.

Ed Boyden och Karl Thessot, som började sitt arbete vid Stanford University, anses vara bland pionjärerna inom denna riktning. Deras idé var att agera på neuroner med miniatyrljuskällor. För detta måste cellerna naturligtvis göras ljuskänsliga.

Eftersom de fysiska manipulationerna med att transplantera ljuskänsliga proteiner - opsiner - till individuella celler är nästan omöjliga, föreslog forskarna … att infektera neuroner med ett virus. Det är detta virus som kommer att introducera en gen som syntetiserar ett ljuskänsligt protein i cellernas genom.

Denna teknik har flera potentiella användningsområden. En av dem är en partiell återställning av synen i ett öga med en skadad näthinna genom att ge ljuskänsliga egenskaper till de återstående icke-ljuskänsliga cellerna (det finns framgångsrika experiment på djur). Genom att ta emot elektriska signaler orsakade av det infallande ljuset kommer hjärnan snart att lära sig att arbeta med dem och tolka dem som en bild, om än av sämre kvalitet.

En annan applikation är att arbeta med neuroner direkt i hjärnan med miniatyrljusguider. Genom att aktivera olika neuroner i djurens hjärna med hjälp av en ljusstråle är det möjligt att spåra vilka beteendereaktioner dessa neuroner orsakar. Dessutom kan "lätt" ingrepp i hjärnan ha terapeutiskt värde i framtiden.