Bagaimanakah sains arus perdana moden menyiasat otak?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Tidak lama dahulu, mengikut piawaian sejarah, otak disebut sebagai "kotak hitam", proses di dalamnya masih menjadi misteri. Pencapaian saintifik baru-baru ini tidak lagi membenarkan kami mengisytiharkan ini secara mutlak. Walau bagaimanapun, masih terdapat lebih banyak soalan daripada jawapan yang tidak jelas dalam bidang penyelidikan otak.

Sangat sukar untuk dikenali dalam sistem ini, yang mempunyai parameter berangka kosmik dan dalam gerakan berterusan, mekanisme yang boleh dikaitkan dengan apa yang kita panggil ingatan dan pemikiran. Kadang-kadang untuk ini anda perlu menembusi terus ke dalam otak. Dalam erti kata fizikal yang paling langsung.

Apa pun kata pembela hidupan liar, belum ada sesiapa yang melarang penyelidik untuk mencuba otak monyet dan tikus. Walau bagaimanapun, apabila ia datang kepada otak manusia - otak yang hidup, sudah tentu - eksperimen ke atasnya boleh dikatakan mustahil atas sebab undang-undang dan etika. Anda boleh masuk ke dalam "bahan kelabu" sahaja, seperti yang mereka katakan, untuk syarikat dengan ubat.

Wayar dalam kepala saya

Satu peluang sedemikian yang dikemukakan kepada penyelidik otak adalah keperluan untuk rawatan pembedahan bagi kes-kes epilepsi yang teruk yang tidak bertindak balas terhadap terapi dadah. Penyebab penyakit ini adalah kawasan yang terjejas pada lobus temporal median. Ia adalah kawasan-kawasan ini yang perlu dikeluarkan menggunakan kaedah pembedahan saraf, tetapi pertama sekali mereka perlu dikenal pasti supaya, boleh dikatakan, bukan untuk "memotong lebihan".

Pakar bedah saraf Amerika Yitzhak Fried dari University of California (Los Angeles) adalah salah seorang yang pertama menggunakan teknologi memasukkan elektrod 1 mm terus ke dalam korteks serebrum pada tahun 1970-an. Berbanding dengan saiz sel saraf, elektrod mempunyai dimensi siklopean, tetapi instrumen mentah sedemikian cukup untuk mengeluarkan isyarat elektrik purata dari beberapa neuron (dari seribu hingga sejuta).

Pada dasarnya, ini sudah cukup untuk mencapai matlamat perubatan semata-mata, tetapi pada peringkat tertentu ia telah memutuskan untuk memperbaiki instrumen. Mulai sekarang, elektrod milimeter menerima penghujung dalam bentuk cawangan lapan elektrod nipis dengan diameter 50 μm.

Ini memungkinkan untuk meningkatkan ketepatan pengukuran sehingga penetapan isyarat daripada kumpulan neuron yang agak kecil. Kaedah juga telah dibangunkan untuk menapis isyarat yang dihantar dari sel saraf tunggal di otak daripada bunyi "kolektif". Semua ini dilakukan bukan untuk tujuan perubatan, tetapi untuk tujuan saintifik semata-mata.

Apakah keplastikan otak?

Keplastikan otak adalah keupayaan menakjubkan organ pemikiran kita untuk menyesuaikan diri dengan keadaan yang berubah-ubah. Jika kita mempelajari sesuatu kemahiran dan melatih otak secara intensif, penebalan muncul di kawasan otak yang bertanggungjawab untuk kemahiran itu. Neuron yang terletak di sana mencipta sambungan tambahan, menyatukan kemahiran yang baru diperoleh. Sekiranya berlaku kerosakan pada bahagian penting otak, otak kadangkala membangunkan semula pusat yang hilang di kawasan yang utuh.

Dinamakan neuron

Objek penyelidikan adalah orang yang menunggu pembedahan untuk epilepsi: sementara elektrod yang tertanam dalam korteks serebrum sedang membaca isyarat dari neuron untuk menentukan dengan tepat kawasan campur tangan pembedahan, eksperimen yang sangat menarik telah dijalankan di sepanjang jalan. Dan ini berlaku apabila ikon budaya pop - bintang Hollywood, yang imejnya mudah dikenali oleh majoriti penduduk dunia, membawa manfaat sebenar kepada sains.

Rakan sekerja Yitzhak Frida, doktor dan pakar neurofisiologi Rodrigo Kian Quiroga, menunjukkan subjek pada komputer ribanya pilihan visual terkenal, termasuk personaliti popular dan struktur terkenal seperti Sydney Opera House.

Apabila gambar-gambar ini ditunjukkan, aktiviti elektrik neuron individu diperhatikan di dalam otak, dan imej yang berbeza "menghidupkan" sel saraf yang berbeza. Sebagai contoh, "neuron Jennifer Aniston" telah dipasang, yang "dipecat" setiap kali potret pelakon romantik ini muncul di skrin. Apa sahaja foto yang ditunjukkan Aniston kepada subjek, neuron "namanya" tidak gagal. Lebih-lebih lagi, ia juga berfungsi apabila bingkai dari siri TV terkenal muncul di skrin, di mana pelakon itu membintangi, walaupun dia sendiri tidak berada dalam bingkai itu. Tetapi apabila melihat gadis-gadis yang hanya kelihatan seperti Jennifer, neuron itu senyap.

Sel saraf yang dikaji, ternyata, dikaitkan dengan tepat dengan imej holistik pelakon tertentu, dan tidak sama sekali dengan elemen individu penampilan atau pakaiannya. Dan penemuan ini memberikan, jika bukan kunci, maka petunjuk untuk memahami mekanisme pengekalan ingatan jangka panjang dalam otak manusia.

Satu-satunya perkara yang menghalang kami daripada bergerak ke hadapan ialah pertimbangan etika dan undang-undang, yang disebutkan di atas. Para saintis tidak boleh meletakkan elektrod di mana-mana kawasan otak lain, kecuali yang tertakluk kepada penyelidikan praoperasi, dan kajian itu sendiri mempunyai jangka masa perubatan yang terhad.

Ini menjadikannya sangat sukar untuk mencari jawapan kepada persoalan sama ada neuron Jennifer Aniston, atau Brad Pitt, atau Menara Eiffel benar-benar wujud, atau mungkin hasil pengukuran, saintis secara tidak sengaja terjumpa hanya satu sel dari keseluruhan rangkaian. dihubungkan antara satu sama lain melalui sambungan sinaptik, yang bertanggungjawab untuk memelihara atau mengecam imej tertentu.

Bermain dengan gambar

Walau apa pun, percubaan diteruskan, dan Moran Cerf menyertai mereka - personaliti yang sangat serba boleh. Israel sejak lahir, dia mencuba dirinya sebagai perunding perniagaan, penggodam dan pada masa yang sama seorang pengajar keselamatan komputer, serta seorang artis dan penulis buku komik, penulis dan pemuzik.

Lelaki yang mempunyai spektrum bakat yang layak untuk Renaissance inilah yang berusaha untuk mencipta sejenis antara muka mesin neuro berdasarkan neuron Jennifer Aniston dan seumpamanya. Kali ini, 12 pesakit Pusat Perubatan yang dinamakan sempena V. I. Ronald Reagan di Universiti California. Dalam perjalanan kajian praoperasi, 64 elektrod berasingan telah dimasukkan ke dalam kawasan lobus temporal median. Secara selari, eksperimen bermula.

Perkembangan sains aktiviti saraf yang lebih tinggi menjanjikan prospek yang luar biasa: orang akan dapat memahami diri mereka dengan lebih baik dan menghadapi penyakit yang tidak dapat diubati sekarang. Sisi moral dan undang-undang eksperimen pada otak manusia yang masih hidup masih menjadi masalah.

Orang ramai pertama kali ditunjukkan 110 imej tema budaya pop. Hasil daripada pusingan pertama ini, empat gambar telah dipilih, di mana pengujaan neuron di bahagian berlainan kawasan korteks yang dikaji telah direkodkan dengan jelas dalam keseluruhan sedozen subjek. Kemudian, dua imej dipaparkan secara serentak pada skrin, ditindih antara satu sama lain, dan setiap satu mempunyai ketelusan 50%, iaitu, imej itu bersinar antara satu sama lain.

Subjek diminta untuk meningkatkan kecerahan salah satu daripada dua imej secara mental, supaya dia mengaburkan "saingannya". Dalam kes ini, neuron yang bertanggungjawab untuk imej di mana perhatian pesakit difokuskan menghasilkan isyarat elektrik yang lebih kuat daripada neuron yang dikaitkan dengan imej kedua. Denyutan telah ditetapkan oleh elektrod, memasuki penyahkod dan bertukar menjadi isyarat yang mengawal kecerahan (atau ketelusan) imej.

Oleh itu, kerja pemikiran sudah cukup untuk satu gambar mula "memalu" yang lain. Apabila subjek diminta untuk tidak memperhebatkan, tetapi, sebaliknya, untuk membuat salah satu daripada dua imej lebih pucat, pautan otak-komputer kembali berfungsi.

Kepala ringan

Adakah permainan yang menarik ini berbaloi dengan keperluan untuk menjalankan eksperimen ke atas orang yang masih hidup, terutamanya mereka yang mempunyai masalah kesihatan yang serius? Menurut pengarang projek itu, ia berbaloi, kerana para penyelidik bukan sahaja memenuhi kepentingan saintifik mereka yang bersifat asas, tetapi juga meraba-raba untuk pendekatan untuk menyelesaikan masalah yang agak terpakai.

Sekiranya terdapat neuron (atau berkas neuron) di dalam otak yang teruja melihat Jennifer Aniston, maka mesti ada sel otak yang bertanggungjawab untuk konsep dan imej yang lebih penting untuk kehidupan. Dalam kes di mana pesakit tidak dapat bercakap atau memberi isyarat masalah dan keperluannya dengan gerak isyarat, sambungan terus ke otak akan membantu doktor mengetahui tentang keperluan pesakit daripada neuron. Lebih-lebih lagi, lebih banyak persatuan ditubuhkan, lebih banyak seseorang itu dapat berkomunikasi tentang dirinya.

Walau bagaimanapun, elektrod yang tertanam dalam otak, walaupun berdiameter 50 mikron, adalah alat yang terlalu kasar untuk menyasarkan neuron tertentu dengan tepat. Kaedah interaksi yang lebih halus ialah optogenetik, yang melibatkan transformasi sel saraf pada peringkat genetik.

Ed Boyden dan Karl Thessot, yang memulakan kerja mereka di Universiti Stanford, dianggap sebagai antara perintis arah ini. Idea mereka adalah untuk bertindak ke atas neuron menggunakan sumber cahaya kecil. Untuk ini, sel, sudah tentu, mesti dibuat sensitif cahaya.

Memandangkan manipulasi fizikal pemindahan protein sensitif cahaya - opsin - ke dalam sel individu hampir mustahil, para penyelidik mencadangkan … menjangkiti neuron dengan virus. Virus inilah yang akan memperkenalkan gen yang mensintesis protein sensitif cahaya ke dalam genom sel.

Teknologi ini mempunyai beberapa kegunaan yang berpotensi. Salah satunya ialah pemulihan separa penglihatan pada mata dengan retina yang rosak dengan memberikan sifat sensitif cahaya kepada sel-sel bukan sensitif cahaya yang tinggal (terdapat eksperimen yang berjaya pada haiwan). Menerima isyarat elektrik yang disebabkan oleh cahaya kejadian, otak akan segera belajar untuk bekerja dengannya dan mentafsirkannya sebagai imej, walaupun kualitinya rendah.

Aplikasi lain bekerja dengan neuron secara langsung di dalam otak menggunakan panduan cahaya kecil. Dengan mengaktifkan neuron yang berbeza dalam otak haiwan dengan bantuan pancaran cahaya, adalah mungkin untuk mengesan tindak balas tingkah laku yang disebabkan oleh neuron ini. Di samping itu, campur tangan "ringan" dalam otak mungkin mempunyai nilai terapeutik pada masa hadapan.